#DecodămCancerul. Epigenomica, o nouă dimensiune a oncologiei de precizie. Care sunt factorii care influențează expresia genelor și ce rol au în apariția cancerului?
Descifrarea secvenței celor 3 miliarde de perechi de baze care alcătuiesc genomul uman, în urma Proiectului Genomului Uman, un efort științific care a durat 13 ani, a arătat rezultate surprinzătoare. Genomul uman este alcătuit din aproximativ 20.300 de gene, un număr mult mai mic decât era așteptat. Prin comparație, unele dintre cele mai simple organisme multicelulare, cum sunt viermii, au un număr similar de gene, chiar mai mare.
Complexitatea organismului uman nu este determinată de numărul de gene, ci de modul în care acestea interacționează și sunt exprimate. Reglarea expresiei genice este un element esențial, care ne individualizează.
Epigenetica studiază mecanismele prin care se modifică activitatea genelor fără schimbarea secvenței de la nivelul ADN-ului. Aceasta dictează modul în care genele sunt exprimate, care sunt genele active și cele inactive la un moment dat. Epigenetica poate fi considerată un al doilea nivel de informație codificată în genom, care ghidează funcția acestuia. Mecanismele epigenetice pot include fie modificări ale interacțiunii dintre ADN și proteine, schimbarea conformației genomului, dar și modificări biochimice directe ale moleculei de ADN. Epigenomul reprezintă setul complet de modificări la nivel de ADN sau proteine asociate ADN-ului dintr-o celulă, care modifică expresia genică dar nu modifică secvența ADN.
Cancerul este considerat o boală a genomului care se manifestă prin mecanisme complexe precum alterarea fenomenelor de apoptoză, apariția de semnale proliferative sau angiogeneză. O provocare majoră este demonstrarea faptului că intervențiile epigenetice pot determina astfel de mecanisme fără modificarea secvenței genelor. Cancerul nu este o boală exclusiv genetică. Progresia cancerului depinde de o multitudine de alți factori precum influența sistemului imun, micromediul tumoral dar și factori externi, care țin de stilul de viață.
Multe dintre modificările epigenetice pot deveni biomarkeri importanți pentru prognosticul și tratamentul diferitelor boli, iar oncologia este un domeniu în plină expansiune având în vedere nivelul de complexitate pe care științele „omice” l-au adus în ultimii ani.
Cum sunt exprimate genele?
Cum poate un organism să aibă un set fix de gene și totuși să răspundă atât de diferit la mediu? Cum pot să apară atâtea tipuri diferite de celule dintr-un embrion pornind de la același set de gene?
O genă nu posedă doar informația necesară pentru a codifica o proteină, ci și informația legate de unde și când să producă acea proteină. Deși fiecare celulă conține același set de gene – activarea sau reprimarea unui subset de gene este selectivă, depinde de modul în care răspunde fiecare celulă la mediul din care face parte. Proteinele pot funcționa ca niște senzori care activează sau inactivează gene într-un mod coordonat.
Celulele trebuie să preia diferite funcții în cadrul unui organism. Nu toate genele sunt exprimate în același timp. O mare provocare este înțelegerea modului în care genele sunt exprimate atât din punct de vedere temporal cât și spațial.
Prin epigenetică se înțelegea inițial un fel de memorie a celulei – luând în considerare factorii la care a fost expusă o celulă, aceasta „poate își stabilească identitatea”. Un anumit tip de celulă devine neuron pentru că anumite gene sunt active și altele nu. La fel, un hepatocit este hepatocit pentru că alte gene sunt active. Reglarea pe termen scurt permite celulelor să reacționeze la modificările din mediu. Mecanismele de expresie genică pe termen lung conferă identitatea de țesut a celulelor.
Aceste modificări se pot transmite de-a lungul generațiilor. De exemplu, descendenții oamenilor care au îndurat foametea din Olanda din perioada 1944 – 1945 poartă modificări epigenetice care le-au crescut riscul de apariție a schizofreniei, bolii coronariene sau obezității.
În ‘42 apărea termenul de epigenetică (epi – „deasupra”) pentru a descrie acele modificări ale fenotipului (caracteristicile fizice) care nu sunt însoțite de modificările genotipului.
Genomul uman are un număr mic de regiuni care codifică proteine, care sunt răspândite într-o vastă secvență necondantă. Proiectul ENCODE a fost prima încercare amplă de a caracteriza toate elementele funcționale ale genomului uman, majoritatea implicate în reglarea genelor. Acesta a demonstrat că până la 80% dintre nucleotidele din genom au anumite modificări biochimice.
Două dintre cele mai bine caracterizate modificări epigenetice sunt metilarea ADN și modificările proteinelor histonice.
Pentru ca o genă să fie transcrisă, ADN-ul trebuie să fie accesibil. Dacă ADN-ul nu ar fi condensat, un cromozom ar măsura cam 5 cm, iar 46 de cromozomi ar trebui să încapă într-o celulă. ADN-ul este organizat prin asociere cu proteine speciale numite histone într-un complex numit cromatină. Unitățile cromatinei se numesc nucleozomi care conțin un anumit număr de proteine histonice, în jurul cărora este înfășurată molecula de ADN.
Cele 6 miliarde de baze care alcătuiesc genomul uman sunt organizate în jurul a 30 milioane de nucleozomi. Iar acest complex este calea prin care factorii de transcripție pot modifica activitatea genelor și fenotipul celulelor. Modificările cromatinei pot fi asociate cu multiple boli, de la afecțiuni neurodegenerative până la boli autoimune și cancer.
Modificările structurii tridimensionale a ADN-ului se realizează prin modificarea conformației cromatinei și a proteinelor histonice la nivelul nucleozomului. Prin obținerea unei conformații inactive, materialul genetic este „împachetat” în jurul histonelor și nu permite pătrunderea factorilor de transcripție, iar o conformație activă înseamnă că ADN-ul este accesibil interacțiunilor cu diverse proteine. Un rezultat surprinzător al proiectelor de secvențiere la nivelul genomului cancerului este acela că aproximativ 50% dintre cancerele umane prezintă mutații ale proteinelor asociate cromatinei.
Metilarea ADN
Cea mai cunoscută modificare biochimică directă asupra ADN-ului este metilarea (un grup metil se adaugă în anumite zone din molecula de ADN – în zone bogate în citozină). Profilul metilării ADN poate fi transmis de-a lungul generațiilor. Aceasta este considerată și o modificare potențial reversibilă a genomului, care se adaptează la biologia tumorală.
Metilarea ADN-ului reprezintă unul dintre cei mai bine studiați markeri epigenetici. În celulele normale normale, metilarea ADN este un semn al genelor inactive. 5-metil citozina ( 5-mC) este considerat un marker epigenetic al stabilității materialului genetic. În cancer se observă că predomină hipometilarea pe segemente genomice extinse, care alternează cu regiunii hipermetilate.
Se consideră că modificările epigenetice apar cel mai devreme în carcinogeneză – hipermetilarea focală și hipometilare globală. Hipermetilarea poate determina inactivarea genelor supresoare tumorale, care conduce la alterarea creșterii celulare sau răspuns insuficient la terapiile antineoplazice. Pe de altă parte, hipometilarea induce instabilitate genomică și contribuie la transformarea malignă. Spre deosebire de modificările genetice, metilarea ADN este reversibilă, ceea ce face ca fenomenul să devină o țintă terapeutică importantă. Anomaliile epigenetice pot apărea concomitent cu mutațiile driver și pot influența dezvoltarea cancerului.
Toate celulele au același genom, însă fiecare tip de celulă are un alt epigenom.
Identificarea metilării ADN-ului a condus și la descoperirea de biomarkeri. Cu toate acestea, nu mulți astfel de biomarkeri se folosesc în practică. Progresele în tehnicile de secvențiere ADN și alte tehnologii moleculare încep să schimbe lucrurile. Descoperirea regiunilor metilate de la nivel genomic este importantă deoarece se poate interveni farmacologic și pot fi ușor măsurate prin biopsie lichidă, de exemplu, prin metode cost-eficiente.
Integrarea datelor în era științelor omice
Epigenetica a reprezentat unul dintre primele domenii în care s-a demonstrat utilitatea secvențierii de nouă generație – NGS. Aceste tehnologii au adus beneficii majore în înțelegerea proceselor de metilare ADN, indicând toate zonele posibile în care se realizează acest fenomen în genomul uman.
S-au înregistrat progrese importante asupra mecanismelor genetice și epigenetice atât în fiziologia cât și în patologia umană. Folosind tehnologii de secvențiere de nouă generație (NGS) aceste mecanisme au fost descrise prin proiecte de cercetare precum ENCODE ( Encyclopedia of DNA Elements), The Cancer Genome Atlas (TCGA), ICGC (International Cancer Genome Consortium).
Fiecare dintre cele 3 miliarde de perechi de baze din genomul uman poate fi secvențiată de nenumărate ori pentru a dezvălui variațiile de la nivelul ADN. Datorită secvențierii masive paralele astăzi este posibil ca modificările epigenetice să fie identificate pe scară largă și la o rezoluție mare, care merge până la o singură unitate a ADN-ului. Caracterizarea completă a metilomului permite stabilirea unui diagnostic precis, poate dezvolta instrumente de prognostic, de screening.
Informațiile asupra distribuției modificărilor epigenetice în genomul uman este importantă și pentru strategiile terapeutice personalizate. În prezent, NGS permite caracterizarea multiplelor tipuri de cancere în cadrul bazelor de date precum TCGA, ICGC, care conțin profilul multiplelor tipuri tumorale bazate pe secvențierea întregului genom, tiparele de expresie genică, proteomică, secvențiere ARN, analiza metilomului. O principală limitare a traducerii în practică a acestor tipuri de analize sunt crearea infrastructurii necesare – capacitate de stocare a datelor și expertiza bioinformaticienilor care pot analiza volumul enorm de date generat.
Markerii epigenetici sunt caracteristici importante ale carcinogenezei și apar precoce în evoluția bolii.
Cancerul colorectal
Diagnosticul cancerului colorectal se bazează pe endoscopie și metode imagistice. Testele non-invazive, precum determinarea serică a antigenului carcinoembronar (CEA) sau testul sângerărilor oculte (FOBT) au o sensibilitate și specificitate scăzute, mai ales în stadiile incipiente ale bolii.
În cazul cancerului colorectal s-a identificat cel mai mare grad de concordanță între markerii tumorali și cei circulanți, ceea ce a permis ca biopsia lichidă să fie o metodă fezabilă pentru identificarea acestui tip de cancer.
Modificările epigenetice precum metilarea ADN și modificarea histonelor au un rol esențial în inițierea și progresia cancerului colorectal. ARN noncodant și micro ARN sunt molecule reglatoare ale expresiei genice cu rol în multe căi de semnalizare celulară alterate în cancerul colorectal.
Biomarkerii bazați pe identificarea metilării ADN sunt deja utilizați în teste disponibile pe piață, unii dintre aceștia se regăsesc în ghidurile pentru cancerul colorectal și în practică. FDA a aprobat primul test molecular pentru screeningul CRC bazat pe determinarea markerului epigenetic SEPT9.
Cancerul de sân
Sub denumirea de cancer de sân sunt reunite mai multe patologii pentru care clasificarea moleculară s-a dovedit eficientă și s-a tradus prin reducerea mortalității. Subtipurile acestui neoplasm erau determinate prin histopatologie pentru identificarea unor receptori hormonali importanță care sunt țintele celor mai frecvente tratamente.
În 2012, în cadrul proiectul TCGA s-a realizat analiza a peste 450 de tumori mamare primare și s-a demonstrat că modificările genetice și epigenetice se traduc din punct de vedere fenotipic în mai multe subtipuri. Datorită progreselor tehnologiilor care permit analiza moleculară detaliată, care include profilul expresiei genice, astăzi 5 tipuri de cancer de sân au fost descrise:
- Luminal tip A
- Luminal tip B
- Normal-like
- Basal-like
- HER-2
Un studiu publicat în 2019 sugerează că modificările epigenetice pot influența răspunsul la terapia țintită cu trastuzumab. Epigenetica poate explica și motivul pentru care se consideră că înaintarea în vârstă crește riscul de cancer de sân. Anumite tipare ale microARN au fost corelate cu agresivitatea tumorii și răspunsul la tratament.
Citește și:
- #DecodămCancerul. De la descifrarea genomului uman la descifrarea genomului cancerului: răspunsurile și provocările pe care medicina genomică le aduce în oncologie
- #DecodămCancerul. Sute de boli sunt reunite astăzi sub denumirea de cancer. Cum a evoluat înțelegerea asupra cancerului și care este rolul științelor „omice”?
- #DecodămCancerul. Studiul transcriptomului în oncologie. Care este rolul analizei expresiei genice în înțelegerea biologiei cancerului?