L’evolució genòmica en els tumors: un estudi de 7664 càncers humans

Iñigo Martincorena, Keiran M. Raine, Moritz Gerstung, Kevin J. Dawson, Kerstin Haase, Peter Van Loo, Helen Davies, Michael R. Stratton i Peter J. Campbell penjaven ahir un article titulat “Patrons universals de selecció en el càncer i en teixits somàtics”. Aquests investigadors de Wellcome Trust Sanger Institute, de l’EMBL-EBI, del Francis Crick Institute, del Departament de Genètica Humana de la Universitat de Lovaina i del Departament d’Hematologia de la Universitat de Cambridge han aplicat mètodes de la genòmica evolutiva a 7.664 tumors humans, corresponents a 29 tipus de càncer. La genòmica evolutiva s’ha aplicat a l’origen i diversificació d’espècies biològiques. La millora tècnica en l’extracció i seqüenciació d’ADN fa possible estendre-les ara també a l’evolució interna d’un organisme, a l’evolució de les línies cel·lulars somàtiques i, més concretament, a les línies tumorals. Mutació i selecció ambiental tenen també lloc en l’evolució dels tumors. Però si en l’evolució de les espècies domina la selecció negativa, que condueix a l’especialització, en l’evolució dels tumors domina una selecció positiva, que faci que la cel·lula somàtica s’alliberi dels controls interns, tingui accés a recursos nutricionals i defugi l’atac del sistema immunitari. Martincorena et al. estimen en aquest estudi una selecció negativa relativament fluixa, detectable únicament en el manteniment de gens essencials en regions haploides del genoma cel·lular. De mitjana, la selecció positiva condueix a 4 mutacions de seqüència proteica que promouen la transformació tumoral, encara que aquest valor pot variar segons el tipus de càncer (de menys d’1 de mitjana en el càncer de tiroides i testicular a més de 10 en tumors d’endometri i colorectals. L’estudi també posa de manifest que encara no s’han identificat un bon nombre de gens associats a la transformació tumoral. De fet, ells mateixos identifiquen alguns d’aquests gens.

Les mutacions somàtiques

Dels diferents llinatges cel·lulars que deriven del cigot tan sols una petita porció són llinatges germinals, que donaran lloc als gàmetes que, a través de la fecundació, participaran en la següent generació. La majoria dels llinatges cel·lulars són somàtics i, així, condemnats a desaparèixer quan es mori l’organisme individual que integren, quan no molt abans encara.

Els llinatges cel·lulars somàtics tendeixen a acumular mutacions al llarg de la vida de l’organisme individual que conformen. Aquestes mutacions poden ser de tres tipus:
– perjudicials per a la cèl·lula, fins al punt de conduir a la seva mort o senescència, o augmentar la probabilitat de patir-les.
– neutres, en el sentit de no ser perjudicials ni beneficioses.
– beneficioses per a la cèl·lula, en el sentit de promoure la seva supervivència o proliferació.

Aquestes mutacions “beneficioses” para la cèl·lula somàtica tenen, però, una contrapartida. L’acumulació d’aquestes mutacions pot fer que un llinatge cel·lular somàtic superi les constriccions normals de proliferació cel·lular. O, encara més greu, poden conduir a la invasió de teixits veïns, amb la subsegüent disrupció, o difondre a altres òrgans (metàstasi). Si és qüestió de proliferació i prou, hom parla de tumor benigne, encara que aquesta benignitat no impliqui alteracions anatòmiques o funcionals nocives. Si, a més, hi ha invasivitat i metàstasi, hom parla de tumor maligne.

The Cancer Genome Atlas

The Cancer Genome Atlas és una base de dades genòmica de càncers humans. D’aquesta base de dades, Martincorena et al. han extret les dades genòmiques de 7664 tumors humans, corresponents a 29 tipus tumorals diferents.

Comparar els genomes tumorals amb els genomes somàtics normals implica comptar també amb la diversitat genòmica existent entre humans. Alhora cal saber destriar les mutacions “promotores” de la transformació tumoral de mutacions merament acompanyants (“passatgeres”). Les primeres han estat seleccionades positivament mentre que les segones tenen un caràcter neutre. Per distingir les unes de les altres, Martincorena et al. apliquen la ratio dN/dS, és a dir, la relació entre les mutacions no-sinònimes (dN) i les mutacions sinònimes (dS). Les mutacions sinònimes afecten a la seqüència genètica, sense afectar la seqüència del producte gènica. És clar que això implica assumir que totes o la immensa majoria de les mutacions sinònimes són neutres.

Per refinar aquest mètode, Martincorena et al. han fet un esforç de contextualitzar els processos mutacionals detectats. Així, empren un model amb 192 paràmetres de taxa de mutació, que cobreixen els 6 tipus de substitucions de base possibles, les 16 combinacions possibles de bases flanquejants de cada mutació i la diferència entre cadena transcrita i cadena no-transcrita en les àrees codificants del genoma.

D’altra banda, entre les mutacions no-sinònimes, el seu model inclou també les mutacions que produeixen una alteració del patró de lectura o del patró del splicing, així com insercions i delecions petites.

També consideren Martincorena et al. les variacions en la taxa de mutació en les diferents regions del genoma humà.

El patró dN/dS en l’evolució tumoral

Quan hom compara el genoma de dos enterobacteris, com Escherichia coli i Salmonella enterica, pel que fa als gens comuns, hom troba que la ratio dN/dS és de 0,06. Aquest valor és indicatiu d’una forta selecció negativa de tota mutació que afecti la seqüència proteica corresponent. Quan hom fa comparacions genòmiques inter-individuals dins d’una espècie com la humana, els valors de dN/dS són de 0,08: la majoria de polimorfismes humans són de natura “sinonímica”.

Per contra, en l’evolució tumoral, el valor de dN/dS adopta un valor elevat, superior a 1. És a dir, que hi ha una mica més de mutacions no-sinònimes que de mutacions sinònimes. Aquests valors també es troben quan hom compara genomes cel·lulars de línies somàtiques normals de sang, pell, fetge, còlon o intestí prim. En general, doncs, en l’evolució somàtica, els valors de dN/dS ronden el valor 1, i s’allunyen del valor de 0,07 que trobem en l’evolució interespecíficament i en l’evolució interindividual dins una mateixa espècie.

Els gens sota selecció positiva en tumors

Martincorena et al. cerquen gens que tinguin valors de dN/dS significativament superiors a 1. En aquests gens, domina la selecció positiva, indici que d’alguna manera són gens que promouen la transformació tumoral. D’aquesta manera identifiquen un total de 179 gens. D’aquests gens, una mica més de la meitat, el 54%, es corresponen a gens recollits en el Cancer Gene Census (CGC). Fins i tot aplicant un criteri més estricte, Martincorena et al. identifiquen 24 gens promotors del càncer que no es troben en el llistat del CGC. No obstant, la majoria d’aquests gens o bé tenen un lligam clar amb la biologia del càncer o ja havien estat reportats en estudis individuals o en anàlisis generals.

Martincorena et al. posen com a exemples els gens ZFP36L1 i ZFP36L2. D’aquests gens se sap que promouen la quiescència cel·lular i suprimeixen la replicació de l’ADN en línies limfocítiques B. Que en aquest estudi, Martincorena et al. trobin un nombre de mutacions inactivadores en aquests dos gens és plausible si hom els considera “gens supressors de tumors”.

Tampoc no són a la llista del CGC, KANSL1, BMPR2, MAP2K7 o NIPBL. Però tots aquests gens ja eren sospitosos per les seves funcions: KANSL1 participa en complexos d’acetilació d’histones, BMPR2 és un receptor amb activitat serin-treonin cinasa sobre proteïnes morfogenètiques de l’os, MAP2K7 participa en senyalitzacions cel·lulars i NIPBL és un membre del complex de cohesines (les que regulen la separació de cromàtides durant la mitosi).

Amb la llista de 174 gens que obtenen Martincorena et al. comproven que se’ls pot classificar en dues classes. En els oncogens hi ha una forta selecció en mutacions de canvi de sentit, que donen lloc a un producte gènic amb una funcionalitat més o menys alterada. En els gens supressors de tumors hi ha una forta selecció de mutacions truncants, que impedeixen la funcionalitat del producte gènic corresponent.

Aquests gens, tenen valors de dN/dS en alguns casos superiors a 10 o a 100. En aquest darrer cas, això vol dir que hi ha més de cent vegades mutacions no-sinònimes que mutacions sinònimes: més del 99% de les mutacions detectades serien mutacions promotores en major o menor mesura.

Els gens sota selecció negativa en tumors

Martincorena et al. també fan una cerca de gens que tinguin valors de dN/dS inferiors a 1. En aquests gens hi hauria un domini de la selecció negativa o purificadora. Val a dir, que la immensa majoria de gens presenten valors de dN/dS propers a 1, indici d’una acumulació neutra de mutacions. Ja hem vist que un 2,2% dels gens mostraven valors de dN/dS superiors a 1,5. En canvi, tan sols un 0,14% dels gens mostra valors de dN/dS per sota de 0,75.

En general, doncs, la selecció negativa en línies tumorals és força febles, fins i tot més febles que no pas esperaven Martincorena et al. Com s’explica això? Una possible explicació es troba en el nombre de còpia de gens que, en un genoma diploide, és de dos, i això sense comptar les duplicacions que ja existeixen en el genoma haploide humà. Tan sols en el cas de regions genòmiques d’1 sola còpia, la selecció negativa es manifesta en un valor de dN/dS de 0,66.

Els valors de Martincorena et al. topen amb algunes prediccions. Hom hauria esperat que la pressió del sistema immunitari sigui un factor promotor de la selecció negativa. En efecte, les mutacions en línies tumorals poden donar lloc a “neoantígens”, a través dels quals aquestes línies cel·lulars siguin específicament atacades pel sistema immunitari. Els resultats de Martincorena et al. els duen a concloure que “l’enorme majoria dels neoantígens predits teòricament no deuen provocar una resposta immune capaç d’eradicar un clon tumoral en condicions normals”.

Estimar el nombre de mutacions promotores en un tumor

Ja en els anys 1950, alguns autors havien gosat d’estimar que n’hi havia prou amb cinc o set mutacions somàtiques per convertir una cèl·lula normal en una cèl·lula tumoral. Evidentment, a aquestes mutacions promotores calia afegir un bon nombre de mutacions no-promotores acompanyants.

Martincorena et al. revisen aquestes estimacions. Per exemple, analitzant les mutacions no-sinònimes de 369 gens tumorals en 689 tumors mamaris diferents, troben un valor de dN/dS de 1,95. Això vol dir que hi ha un 95% més de mutacions no-sinònimes que no pas hom esperaria en cas d’una evolució neutra. O, dit d’una altra manera, el 49% de les mutacions no-sinònimes serien mutacions promotores, seleccionades positivament en les línies tumorals. Aquest percentatge és ben diferent en altres tipus de tumors: 20% en melanoma, 80% en gliomes de grau inferior. Això es correspon en dades variables sobre el nombre de mutacions promotores en gens tumorals. El valor no arriba a 1 en sarcomes, en càncers de tiroides i en mesoteliomes. El valor arriba a 3-4 mutacions per gen en càncers de bufeta, endometri i colorectals.

Si hom ho expressa per cada tumor, de mitjana cada línia tumoral disposaria de 4 mutacions promotores, encara que segons el tipus de càncer aquest valor pot anar de 1 a 10. És a dir, que les mutacions promotores són tan sols una minoria de les mutacions existents en la línia tumoral: en el cas de càncers de cap i coll, el valor seria de tan sols un 5% de mutacions promotores respecte del total de mutacions no-sinònimes.

La taxa de mutació tendeix a augmentar en línies tumorals. Martincorena et al. troben que l’augment de la càrrega de mutacions afavoreix una major convergència de dN/dS cap a 1, però que de totes manera una major taxa de mutació condueix també a un augment de l’aparició de mutacions promotores.

L’extensió de l’anàlisi genòmica de tumors

Martincorena et al. tenen la intenció d’estendre aquestes anàlisis genòmiques també a regions no-codificants dels genoma. Però el repte principal és estendre aquesta metodologia a l’anàlisi individual de tumors i, alhora, de gens, per tal d’identificar en un cas concret quines són mutacions promotores i quines no ho són. Com diuen, desenvolupar aquestes eines amb rigor estatístic, constituirà un pas crucial en la implementació de l’oncologia de precisió.



Aquesta entrada ha esta publicada en 3. La Vida. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *