Portofoliu Biologie [PDF]

Zitiervorschau

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

Portofoliu biologie

Teodorescu Maria-Alexandra Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Clasa a XII-a D An școlar 2016-2017 Prof. Găman Cristiana

Nucleul celular ● Membrana de acoperire (anvelopa nucleara) dubla, cu pori

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D ● Lamina nucleara – retea de filamente cu rol suportiv (asemanator citoscheletului) ● Interiorul nucleului: ➔ Matricea nucleara = retea fibrilara, care contine proteine ➔ Nucleoplasma = substanta fluida ➔ Cromatina = materialul genetic ➔ Corpi nucleari:  Nucleolul – implicat in sinteza si asamblarea ribozomilor

Structura nucleului

● Anvelopa nucleara ➔ Membrana externa – se continua cu membrana RE ➔ Membrana interna ➔ intre ele – spatiul perinuclear (10-50 nm), se continua cu lumenul RE ➔ Rol de separare a materialului genetic de citoplasma

● Pori nucleari

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D ➔ Structuri proteice complexe ➔ Proteinele din alcatuire = nucleoporine ➔ Diametrul total ≈ 100nm; diametru neobturat ≈ 10 nm ➔ Roluri: ✗ Difuzie pasiva a moleculelor mici, hidrosolubile ✗ Transport activ al moleculelor mari (proteine, subunitati ribozomale, ARN) ➔ Proteinele transportoare = kariopherine (exportine / importine)

Structura nucleului ● Cromatina – materialul genetic celular ➔ contine ADN, proteine (histone), ARN ➔ Modul de organizare depinde de faza ciclului celular ➔ Tipuri de cromatina: – Eucromatina – zona mai putin compacta; contine gene exprimate frecvent de catre celula – Heterocromatina – zona mai compacta; gene exprimate rar

Definitii: ● Nucleozom = unitatea structurala a cromatinei; miez histonic + ADN infasurat ● Histone = proteinele care intra in alcatuirea cromatinei; histone care alcatuiesc miezul pe care se infasura ADN-ul + histone de legatura H1 ● Telomer = secvente repetitive de ADN, situate la capetele terminale ale cromozomilor liniari; compenseaza pentru replicarea semiconservativa incompleta a ADN-ului din zonele terminale ale cromozomilor Niveluri de baza de organizare a cromatinei: ➔ ADN infasurat in jurul histonelor (modelul “sirului de margele”); nucleozomii sunt conectatii intre ei prin segmente de ADN de legatura (linker DNA) ➔ Fibre compacte de cromatina condensate ➔ Cromozomi (in metafaza) (23 de perechi; 46 crz); brat scurt (p) si brat lung (q)

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D ● Centromer = zona de ADN situata spre mijlocul cromozomului, unde cele doua cromatide vin in contact; la nivelul lui se ataseaza kinetocorul, cu rol in separarea celor doua cromatide in timpul diviziunii celulare ● Cromatida = una din cele doua copii identice de ADN dintr-un cromozom; sunt atasate la nivelul centromerului.

Organizarea Cromatinei

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D ● Nucleolul – zona in care este transcris ARN-ul ribozomal ➔ Contine ADN, ARN, proteine ➔ Format in jurul unor locusuri genetice definite = Regiuni de Organizare Nucleolara (NOR), care sunt repetari ale unor gene pentru ARN ribozomal si pot fi gasite pe mai multi cromozomi ● Alte exemple de corpi subnucleari: ➔ Corpi Cajal – contin coilina (prot); roluri in procesarea ARN-ului ➔ Corpi gemeni – similari ca functie si structura corpilor Cajal ➔ Domenii PIKA (polymorphic interphase karyosomal associations) – functie neclara; asociate ca locatie cu domenii PTF (rol promotor in transcriptia snARN) ➔ Corpi PML – probabil, rol regulator al transcriptiei ● Speckles, paraspeckles – compartimente in spatiul intercromatinian

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

Baze azotate ● Adenina (A) ● Citozina (C) ● Guanina (G) ● Timina (T) / Uracil (U) ➔ Formeaza perechi, unite intre ele prin legaturi de hidrogen A-T (A-U); C-G ➔ Formarea de perechi este mecanismul de la baza: ✗ Cuplarii celor doua lanturi de ADN in structura de dublu helix ✗ Copierii ADN in ARN mesager

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D ● Codon = grupare de 3 baze azotate succesive, din structura unui acid nucleic, si care codifica un aminoacid ● Aminoacid = molecula care contine atat gruparea carboxil, cat si gruparea amino; lanturile de aminoacizi formeaza peptide si protein ● 20 aminoacizi standard, codificati de codul genetic

Acizi nucleici

Acizii nucleici sunt compusi macromoleculari cu structura complexa si mase moleculare cuprinse intre cateva zeci de mii si milioane. Sunt, impreuna cu proteinele, componentele nucleoproteidelor, compusi de importanta biologica, existenti in celulele vii. Dupa provenienta lor, respectiv dupa materialele din care au fost extrase, acizii nucleici erau considerati de doua tipuri: acizi timonucleici (acizi nucleici din timus sau acizi nucleici animali) si acizi zimonucleici (acizi nucleici din drojdie sau acizi nucleici vegetali). Intrucat s-a constatat ca deosebirea dintre ei consta in natura componentului glucidic (acizii timonucleici contin in molecula lor dezoxi-D-riboza, iar acizii zimonucleici contin D-riboza), denumirile lor au fost inlocuite cu denumirile de acizi dezoxiribonucleici (ADN), si acizi ribonucleici (ARN). Cercetari ulterioare au dovedit, insa, ca aceste doua tipuri de acizi nucleici sunt prezente in toate organismele vii, avand rol important in desfasurarea proceselor vitale normale si patologice; acizii dezoxiribonucleici sunt substantele de baza in aparatul genetic, care asigura ereditatea si variabilitatea, pe cand acizii ribonucleici au mai mult rol functional legat de sinteza proteinelor.

ADN ADN-ul reprezinta materialul genetic din care sunt alcatuite genele majoritatii organismelor si este localizat exclusiv in cromozom; fiecare cromozom contine cate o molecula de ADN. Rezulta din polimerizarea unor monomeri denumiti dezoxiribonucleotizi. Prezenta in cromozom a ADN-ului a fost relevata de chimistul german R.Feulgen, in 1924, prin utilizarea unui colorant vital -fuxina bazica- care coloreaza rosu-violaceu cromozomii; substanta din cromozomi, care reactioneaza specific cu colorantul, era ADN. James Watson si Francis Crick, au facut cunoscut un model al moleculei de ADN pentru care au primit Premiul Nobel (in 1962). Modelul se bazeaza pe combinarea a patru nucleotizi. Fiecare nucleotid consta dintr-un radical fosforic monoacid, o pentoza (dezoxiriboza) si o baza azotata (una din urmatoarele patru): adenina(A), guanina(G), -A si G sunt baze purinice- timina(T), citozina(C) - T si C sunt baze pirimidinice. Combinatia dintre o baza si o pentoza se numeste dezoxiribonucleosid, iar combinatia celor trei componente dezoxiribonucleotid.

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

ADN-ul ca si ARN-ul consta dintr-un lant lung de molecule de zahar, cu o nucleotida atasata-un inel de atomi de carbon si azot. ADN-ul prezinta doua lanturi lungi unite intr-o spirala, cu nucleotidele in interior, asa incat intreaga molecula gigantica are aspectul unei scari rasucite(v.anexa1). Secvente de trei nucleotide de pe lanturile ADN-ului formeaza un cod special care stabileste ordinea in care sunt legati aminoacizii pentru a forma molecule de proteine. Acesta este cunoscut sub numele de cod genetic. Unii aminoacizi sunt codificati prin mai mult de un triplet. Deoarece proteinele sunt moleculele de constructie ale organismului si, ca si enzimele, controlorii sai metabolici, codul ADN stabileste cum arata, creste si functioneaza corpul. In concluzie, ADN-ul este materialul genetic al corpului.

Legatura dintre pentoza si una din bazele azotate este N-glucidica. La dezoxiribonucleosidele purinice legatura N-glucidica se formeaza intre pozitia N9 a heterociclului dublu purinic si pozitia C 1 a pentozei, iar la nucleosidele pirimidinice legatura se realizeaza intre pozitia N 3 a nucleului pirimidinic si pozitia C1 a pentozei. Aditionarea radicalului fosforic se realizeaza, obisnuit, prin intermediul pozitiei 5’ a nucleosidului. Astfel rezulta nucleotizii, care sunt esteri ai acidului fosforic cu nucleosidele. Atat conectarea bazelor cu pentoza, cat si a nucleosidului cu acidul fosforic se realizeaza prin pierderea unei molecule de H2O. Fiecare radical fosforic al unui nucleotid poate, prin gruparile acid libere, sa se lege fie cu un radical fosforic, fie cu un alt nucleotid prin pozitia 3’ a dezoxinucleosidului. In primul caz, dezoxinucleotizii pot aparea sub forma de monofosfat, difosfat sau trifosfat. In functie de numarul grupelor fosfat si de baza din constitutia nucleotidului, dezoxinucleotizii monofosfat se numesc: adenozin 5’-fosfat (AMP), guanozin 5’-fosfat (GMP), citidin 5’-fosfat (CMP) si timidin 5’-fosfat (TMP);dezoxinucleotizii difosfati: ADP, GDP, CDP si TDP, dezoxinucleotizii trifosfati:ATP, GTP, CTP si TTP. In al doilea caz, dezoxinucleotizii se leaga unul de altul prin legaturi fosfodiesterice astfel: primul nucleotid, prin grupul fosfat la nivelul unei grupari acid libere, se leaga de nucleotidul adiacent inferior prin pozitia 3’, iar de nucleotidul adiacent superior prin pozitia 5’ etc. In acest fel, intre nucleotizi se stabileste o legatura in zigzag. Se formeaza astfel un lant polidezoxiribonucleotidic cu o lungime variabila. Aceasta este stuctura primara a ADN sau monocatenara. Obisnuit, molecula de ADN este constituita din doua lanturi polinucleotidice sau doua catene: aceasta este structura secundara. Analiza chimica a aratat ca exista o relatie de 1:1 intre adenina (o purina) si timina (o pirimidina) si intre citozina (o pirimidina) si guanina (o purina). O asemenea relatie nu exista intre cele doua purine sau intre cele doua pirimidine. Legatura dintre cele doua catene se realizeaza prin punti de hidrogen intre perechi de baze situate la

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

acelasi nivel in cele doua catene: doua punti de hidrogen intre adenina si timina A=T si T=A si trei punti intre guanina si citozina. Faptul ca la acelasi nivel aditionarea radicalului fosforic la dezoxiriboza este diferita (intr-o catena la pozitia 3’, iar in catena complementara la pozitia 5’) a dus la concluzia ca cele doua catene sunt indreptate in directii opuse. Prin urmare cele doua catene complementare au o orientare spatiala inversa sau antiparalela. Studiul structurii moleculei de ADN a relevat faptul ca bazele azotate sunt asezate spre interior, perpendicular pe axa principala lunga, la o distanta una de alta de 3,4A. Deoarece unghiul intre doi nucleotizi apropiati ai aceleiasi catene este de 36o, structura se repeta la fiecare 10 nucleotizi, adica la 34A. Dubla spirala helicoidala coaxiala are un diametru de 20A. Molecula de ADN are dimensiuni foarte mari (fiind cea mai mare macromolecula biologica), cu o greutate moleculara care poate ajunge la 12 si 16*10 6. Majoritatea moleculelor de ADN au o rasucire a helixului la dreapta (“forma B de ADN”); exista insa si molecule cu o rasucire a helixului spre stanga: Z-ADN. Insusirea genetica continuta intr-o molecula de ADN aste determinata de insusirea perechilor de baze de-a lungul moleculei. Cum numarul secventelor posibile de baze este egal cu 4 n, unde n este egal cu numarul de nucleotizi per catena, se ajunge la un numar astronomic de variante posibile de informatie genetica. In timpul replicarii cele doua catene ale moleculei de ADN se separa enzimatic, fapt ce permite sinteza unor catene complementare noi pe matricele reprezentate de cele doua monocatene vechi. Rezulta astfel doua bicatene de ADN identice. Bicatenele de ADN se pot separa -denatura- prin expunere la temperaturi apropiate de punctul de fierbere si la pH extrem (pH10) si se pot combina -renatura- formand helice duble native prin expunerea monocatenelor complementare la temperatura de aproximativ 65oC.

ARN Complex macromolecular, structural si functional, similar in anumite privinte, ADN-ului. ARN-ul rezulta din polimerizarea un or ribonucleotizi, care determina formarea unor lanturi lungi, monocatenare (structura primara). Pe anumite portiuni monocatena de ARN se poate rasuci in jurul ei, determinand aparitia unei structuri duble intre secventele complementare de baze (structura secundara). Polimerizarea implica patru tipuri de ribonucleotizi legati impreuna prin legaturi fosfodiesterice in pozitiile 3’-5’. Componentul pentozic al ARN-ului este riboza, iar bazele azotate sunt: adenina, guanina, citozina si uracilul. Sunt doua clase de ARN si anume: ARN genetic care controleaza ereditatea la unii virusi, alta, ARN negenetic care este implicata in sinteza substantelor proteice(v. Sinteza proteinelor). ARN negenetic implicat in sinteza proteinelor sau ARN celular. Exista trei tipuri de acid ribonucleic celular prezente in toate celulele, si care, avand structuri si functii diferite , joaca un rol esential in biosinteza proteinelor. Aceste tipuri sunt : acidul ribonucleic mesager-mARN, acidul ribonucleic solubil sau de transfer-sARN sau tARN si acidul ribonucleic ribozomal-rARN(v.anexa2). In celule se

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

gaseste o mare cantitate de rARN (80-90% din ARN-ul celular) o cantitate oarecare de sARN(10-15%) si o cantitate mica de mARN(mai putin de 5%). ARN mesager. mARN este sintetizat in timpul transcriptiei mesajului genetic de pe o catena de ADN si serveste ca tipar pentru sinteza proteinelor. A fost gasit in stransa legatura cu ADN-ul cromozomal. mARN are urmatoarele caracteristici: este foarte repede sintetizat, are o singura catena, complementara uneia dintre catenele ADN-ului propriu, la nivelul careia a fost sintetizat. In mARN mesajul este inscris codificat in codoni care contin triplete de baze azotate (ribonucleotizi). La capatul 3’, moleculele de mARN contin o secventa de acid poliadenilic-poly-A (intre 70-250 nucleotizi). Aceste “cozi” poly-A sunt adaugate posttranscriptional. Terminatia 5’ a mARN-urilor sunt blocate prin aditia unor capete de m7 Gppp (7-metilguanozine reziduale legate de mARN prin legaturi trifosfat). ARN solubil, de transfer sau adaptor. sARN-ul sau tARN-ul este similar ca structura cu orice acid ribonucleic. Este caracterizat printr-o slaba polimerizare , are rolul de a activa enzimele din citoplasma. Apoi reactioneaza cu aminoacizii specifici –prin formarea gruparilor aminoacil-sARN- care sunt transferati la locul de biosinteza a proteinelor: complexe mARN-ribozomi sau poliribozomi. Anumite parti din catena de sARN, constituite din serii scurte de nucleotizi, reprezinta bazele complementare ale codului mARN pentru un aminoacid caracteristic. In asemenea portiuni reprezentate de tripleti de baze, denumite anticodoni, sARN-ul diferitelor specii este identic. Faptul ca in citoplasma exista toti sau aproape toti cei circa 20 de aminoacizi proteici, presupune ca trebuie sa existe un numar de minimum 20 de tipuri de sARN, cate unul pentru fiecare aminoacid (maximum 64, cati codoni se pot forma de cele patru baze azotate). Moleculele de sARN constau dintr-o singura catena, alcatuita din 75-80 de ribonucleotizi. La un capat al catenei (capatul 5’) se gaseste acid guanilic (G), iar la capatul 3’ se gaseste un triplet format din bazele CCA (citozina-citozina-adenina). Intre bratul scurt, cu G, si bratul lung la nivelul primului nucleotid C, se formeaza punti de hidrogen. Regiunile bicatenare includ trei bucle monocatenare intermediare. Regiunea de curbura a lantului polinucleotidic reprezinta celalalt capat al moleculei de sARN. Curbura este constituita dintr-un segment de trei nucleotizi necomplementari, deci legati prin punti hidrogenice. Acest triplet de baze a capatat denumirea de anticodon tocmai pentru a indica complementaritatea lui fata de codonii mARN. ARN ribozomal. Una din caracteristicile principale care deosebeste rARN de celelalte tipuri de ARN consta in aceea ca el apare intotdeauna legat de proteine. Lantul rARN-ului este constituit atat din portiuni monocatenare cat si din portiuni bicatenare helicoidale cu bucle monocatenare. In lantul polinucleotidic al rARN-ului raportul molar intre bazele azotate componente este in favoarea bazelor purinice. Astfel continutul in adenina/uracil=21:19, guanina/citozina=36:25, iar raportul general purine/pirimidine circa 1,3. Molecula de rARN are peste 1000 de nucleotizi.

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

ONCOGENEZA •

Boala canceroasa este caracterizata prin prezenta in organism a unei populatii celulare cu origine monoclonala care este in expansiune continua prin crestere autointretinuta.

•

Celulele maligne nu se mai supun controlului mecanismelor fiziologice de reglare a proliferarii celulare.

•

In acest context poate apare cu mare probabilitate o subpopulatie capabila de a migra si de a se adapta la alte micromedii straine generand tumori secundare (metastaze).

Modalitati prin care pot rezulta celule canceroase •

cresterea activitatii de proliferare a unuia sau mai multor tipuri celulare;

•

reducerea potentialului de diferetiere al anumitor celule;

•

impiedicarea apoptozei (moartea celulara programata);

•

dotarea cu potential invaziv si de colonizare a unor teritorii rezervate altor celule;

•

anularea cerintelor pentru factorii de crestere si a raspunsului la factorii inhibitori produsi de celule.

Caracteristicile celulei canceroase •

cresterea necontrolata;

•

proprietatea de imortalitate (celulele maligne se multiplica nedefinit in culturile celulare iar celulele normale pierd capacitatea de diviziune si dupa aproximativ 50 de generatii mor);

•

reactivitatea redusa la mecanismele de feedback (ce controleaza cresterea normala in vivo si in culturi);

•

cresterea in gramezi dezordonate (in mod normal celulele ce se divid cresc in strat monocelular);

•

pierderea proprietatii de inhibitie de contact;

•

respiratia anaeroba.

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

Proiectul Genomul Uman, finalizat în 2000, a dat speranţe specialiştilor, în legătură cu descifrarea mecanismelor genetice ale multor boli, între care şi cancerul. Portar, îngrijitor, peisagist – nu sunt doar meserii, ci şi categoriile funcţionale ale genelor supresoare ale creşterii tumorale. Alături de oncogene şi de genele ARNmi, ele sunt implicate în apariţia malignităţii. Explicaţii detaliate ale rolurilor acestora, în articolul semnat de prof. dr. Mircea Covic, la rubrica Medicina genomică. Rolul central al genomului în dezvoltarea cancerului a fost intuit, la începutul secolului XX, de către Theodor Boveri (1914), care observă „aberaţii cromozomiale bizare“ în celulele canceroase. După aproape cinci decenii, au fost descoperite primele anomalii cromozomiale recurente şi specifice unor tipuri de cancer, cum este translocaţia dintre cromozomii 9 şi 22 („cromozomul Philadelphia“) în leucemia mieloidă cronică, iar în 1982 a fost identificată prima mutaţie somatică implicată în cancer (substituţia G>T în codonul 12 al genei HRAS). Această descoperire remarcabilă a inaugurat epoca cercetării genelor de cancer şi, până în anul 2000, au fost descoperite circa 80 de gene implicate în hemopatii maligne şi cancere solide (1). După 30 de ani de cercetări, încununate cu şase premii Nobel, s-a stabilit cu certitudine că boala canceroasă este o afecţiune genetică complexă produsă de acumularea unor modificări genetice şi epigenetice, moştenite şi dobândite, în gene multiple; prin aceste evenimente, o clonă celulară capătă un set complet de capacităţi distinctive, definitorii („the hallmarks of cancer“), proliferează intens şi formează o tumoră care evoluează multistadial, creşte necontrolat şi diseminează (2). Finalizarea Proiectului Genom Uman (2000) şi dezvoltarea unor tehnologii performante de analiză a genomului, transcriptomului şi proteomului celulelor normale şi canceroase1 au produs o revoluţie în cercetările bolii canceroase, care au culminat recent cu secvenţierea genomului complet al mai multor cancere frecvente. Au fost determinate tipurile majore de modificări genetice şi epigenetice din celulele tumorale, stabilindu-se un set complet al genelor esenţiale (ce codifică proteine sau molecule de ARN necodant) implicate în cancer şi aprofundându-se mecanismele moleculare ale bolii. Important este faptul că unele rezultate ale cercetărilor bolii canceroase au fost deja implementate în oncologia clinică pentru: • ameliorarea diagnosticului precoce şi stabilirea subtipului molecular al bolii • identificarea unor noi markeri prognostici • optimizarea tratamentului pentru subgrupe de pacienţi cu acelaşi tip histologic de cancer dar cu profiluri de expresie genică diferite • creşterea posibilităţilor terapeutice prin „inhibarea specifică, ţintită“ („glonţul magic“) a proteinelor codificate de genele de cancer • monitorizarea statusului bolii (prin analiza expresiei unor gene implicate în metastazare sau„semnătura metastatică“) şi a eficienţei tratamentului • managementul susceptibilităţii genetice la cancer (3). Cert este că progresele înregistrate în ultimii zece ani „pe toate fronturile“ oncologiei prefigurează „un asalt decisiv“ contra cancerului („împăratul tuturor bolilor“) (4), responsabil de unul din opt decese în întreaga lume, şi perspectivele unei „medicini personalizate în cancer“. Despre toate aceste importante realizări vom discuta într-o suită de articole dedicate genomicii bolii canceroase sau oncogenomicii.

Gene implicate în producerea cancerului

În mod normal, o celulă formează, prin diviziuni succesive, o populaţie sau clonă celulară, prin care se realizează dezvoltarea embriofetală, creşterea postnatală şi înlocuirea celulelor senescente sau repararea leziunilor. Aceste procese complexe sunt perfect reglate prin acţiunea a trei categorii majore de gene (1):

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

• genele proliferative (numite şi protooncogene) codifică proteine implicate în recepţia şi transmiterea (transducţia) semnalelor mitogene (în special factori de creştere) la nucleu, stimulând replicarea ADN şi diviziunea celulară; ele sunt funcţionale în timpul dezvoltării embrionare şi creşterii, fiind de regulă reprimate la adult (exceptând celulele stem adulte); • genele antiproliferative (gene supresoare ale creşterii celulare) reacţionează la semnalele inhibitorii (externe sau interne), în special la alterările ADN, şi codifică proteine care opresc proliferarea celulară şi eventual declanşează apoptoza (moartea celulară programată); • genele de reglare, ce codifică molecule mici de ARN necodant, numite micro-ARN (ARNmi) care, în funcţie de necesităţi, suprimă activitatea genelor proliferative sau antiproliferative. În cancer se produc, prin modificări genetice şi epigenetice, în gene multiple, dereglări profunde ale mecanismelor care controlează proliferarea celulară; prin aceste evenimente, o clonă celulară proliferează intens şi formează o tumoră malignă. Genele implicate în cancer se clasifică funcţional în oncogene, gene supresoare ale creşterii tumorale şi genele ARNmi (1, 5) (v. figura). Înainte de a descrie succint aceste categorii de „gene de cancer“, vom sublinia că fără cunoaşterea acţiunii lor este imposibilă înţelegerea mecanismelor patogenice şi managementului modern al bolii canceroase. Oncogenele (exemple: TGFA, EGFR, HER2, SRC, RAF, ERK, MYC etc.) rezultă prin activarea protooncogenelor, care, în mod normal, sunt reprimate la adult; se produc cantităţi mari de oncoproteine (factori de creştere, receptori, proteine de semnalizare intracelulară, factori de transcripţie, reglatori ai ciclului celular şi ai apoptozei, proteine de remodelare a cromatinei), implicate în diferite puncte ale căilor de transducţie a semnalelor mitogene, ce determină o proliferare celulară crescută şi, împreună cu alte mutaţii, produc cancer. Acest mecanism (descris de Bishop şi Varmus, Premiul Nobel pentru Medicină, 1989) a generat în ultimii zece ani realizarea unor medicamente eficace, care „ţintesc specific“ anumite oncoproteine în exces, de exemplu: BCR-ABL (imatinib, în leucemia mieloidă cronică şi tumorile gastrointestinale stromale), HER2 (trastuzumab, în cancerul de sân şi cel gastric), VEGF (bevacizumab, în cancerul colorectal, bronhopulmonar, ovarian), B-RAF (vemurafenib, în melanoame). De subliniat că mutaţiile ce produc activarea oncogenelor2 sunt mutaţii dominante (An – interesează numai o genă din perechea de alele), cu „câştig de funcţie“ a proteinelor codificate şi pentru a produce cancer necesită un eveniment adiţional (mutaţii în alte gene). Genele supresoare ale creşterii tumorale (GST) sau antioncogene (exemple: TP53, APC, RB, BRCA1, BRCA2 etc.) blochează, în mod normal, creşterea şi proliferarea celulelor, activând senescenţa şi/sau apoptoza celulară. În cancere, ele sunt inactivate de obicei prin mutaţii recesive3, succesive, ale ambelor alele („ipoteza celor două lovituri“: NN®Na®aa), care produc „o pierdere de funcţie“ a diverselor proteine pe care le codifică, determinând accelerarea proliferării celulare şi reducerea apoptozei. Unele persoane se nasc cu o mutaţie constituţională (Na) în GST, iar pierderea heterozigozităţii (Na®aa) se poate produce printr-o mutaţie dobândită la vârste tinere, generând „cancere ereditare sau familiale“. GST au fost clasificate funcţional în trei categorii (1): genele „gatekeeper“ („portar/paznic“), genele „caretaker“ („îngrijitor“) şi genele „landscaper” („peisagist“). • Genele gatekeeper blochează parcurgerea ciclului celular în anumite puncte de control, opresc proliferarea şi activează apoptoza; de regulă, fiecare tip celular este caracterizat printr-o anumită genă gatekeeper (de exemplu, gena APC pentru celulele epiteliale intestinale). • Genele caretaker nu reglează direct proliferarea celulară, fiind implicate în păstrarea integrităţii/stabilităţii genomului; de aceea, au mai fost numite „gene de stabilitate“. Ele participă la depistarea modificărilor/leziunilor accidentale sau induse ale ADN (ce apar spontan în cursul replicării sau sub acţiunea unor agenţi mutageni externi/interni) şi repararea lor, prin multiple căi. Alterările acestor gene cresc frecvenţa de producere şi fixare a mutaţiilor şi determină instabilitate genomică. • Genele landscaper controlează micromediul celular (interacţiunile celulă-celulă sau celulămatrice extracelulară), care, în mod normal, generează semnale antiproliferative. Mutaţiile acestor gene determină anomalii stromale care induc/susţin proliferarea celulară necontrolată.

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

Genele microARN (ARNmi), mai recent descoperite, codifică molecule mici de ARN necodant (de circa 22 de nucleotide), care se cuplează, pe bază de complementaritate, cu secvenţe din moleculele de ARN mesager ţintă, blocându-le activitatea. Genele ARNmi pot funcţiona atât ca oncogene, cât şi ca GST, în funcţie de genele pe care le reglează. Mutaţiile genelor ARNmi (numite şi „oncomirs“) perturbă activitatea/reglarea celorlalte gene implicate în cancer. Descoperirea claselor majore de gene implicate în producerea cancerului, folosind metodele „clasice” ale geneticii moleculare, a determinat elucidarea multor enigme ale patogeniei bolii canceroase dar şi multiple aplicaţii practice. Adevărata „revoluţie” în cancer se prefigurează însă prin aplicarea noilor tehnologii ale „erei omice” care permit analiza aprofundată a genomului, transcriptomului şi proteomului tumoral. Prin introducerea tehnicilor de secvenţiere a ADN de generaţia a doua şi a treia (mai rapide, precise, eficace şi mult mai ieftine) a devenit posibilă secvenţierea completă a genomului mai multor tipuri frecvente de cancer (sân, plămân, prostată, diverse hemopatii maligne ş.a.). Pe această bază The International Cancer Genome Consortium (înfiinţat în 2008) îşi propune ca obiectiv principal „realizarea unui catalog complet al modificărilor genomice semnificative asociate cancerului (The Cancer Genome Atlas sau TCGA), prin analiza a 500 de tumori pentru fiecare din 50 tipuri de cancere diferite, pentru a accelera cercetările în etiopatogenia şi controlul cancerului“ (6). Rezultatele obţinute până în prezent (5–8) relevă că „peisajul“ genomului cancerelor analizate este incredibil de complex. Fiecare tumoră conţine un număr foarte mare (între 104–105) de modificări genetice şi epigeneticediverse: substituţii nucleotidice (numeroase), mici deleţii şi inserţii („indels“), rearanjări cromozomiale (neaşteptat de frecvente), creşterea numărului de cópii (amplificări), alterări în metilarea ADN (de exemplu, hipermetilarea şi deci inactivarea consecutivă a GST) sau în ARNmi (care pierd funcţia de reglare), inserţia unor genomuri exogene (oncovirusuri). Reamintim că mutaţiile sunt schimbări definitive în secvenţa nucleotidică a ADN iar modificările epigenetice sunt modificări (remodelări) reversibile ale structurii cromatinei (alcătuită din ADN şi histone), fără schimbarea secvenţei nucleotidice, care influenţează funcţia genei4. Surprinzător a fost faptul că modificările epigenetice sunt la fel de frecvente în cancer ca şi mutaţiile, iar potenţialul lor reversibil aduce speranţa unei terapii de reversie (inhibarea metilării ADN sau a dezacetilării histonelor) (8). Toate modificările genetice/epigenetice suntdistribuite aleatoriu, în regiuni codante (în peste 5.000 de gene) şi necodante din genom, fiecare tumoră având ocombinaţie caracteristică de mutaţii. Diversitatea şi complexitatea modificărilor genomice este dezarmantă, dar semnificaţia lor pentru patogenia cancerului este diferită; importante sunt alterările „genelor de cancer“, circa 400 (â2% din genom) descoperite până în prezent în mai multe tipuri de cancere (şi probabil circa 2.000 în total) (5). Într-adevăr, numai un număr limitat de mutaţii (deseori comune în mai multe neoplasme), grupateîn genele de cancer, dereglează mecanismele de control al proliferării celulare şi determină formarea tumorii; ele au fost numite mutaţii conductoare („driver mutations“). Cele mai multe dintre mutaţiile identificate în tumori nu influenţează însă biologia tumorală, sunt rezultatul unor modificări accidentale, distribuite la întâmplare în genom şi au fost denumite mutaţii pasagere („passenger mutations“) (6, 8). Se consideră că numai un număr mic de mutaţii conductoare (mai puţin de zece) sunt necesare pentru iniţierea clonei canceroase (între două şi cinci mutaţii conductoare „oncogenice“) şi pentru menţinerea/expansiunea tumorală (peste cinci-şase mutaţii conductoare „de menţinere“)(6, 7). Rolul central al mutaţiilor conductoare în geneza şi menţinerea tumorii reprezintă un potenţial „călcâi al lui Ahile“ prin descoperirea medicamentelor necesare blocării produselor lor. Din această perspectivă a utilităţii clinice, unele mutaţii conductoare au fost definite ca modificări „acţionabile“ („actionable aberrations“), în sensul că „implică acţiuni practice“ – deoarece au impact asupra managementului cancerului prin utilizarea lor în diagnostic, prognostic şi/sau predicţie; o parte dintre acestea sunt şi „tratabile“ („druggable aberrations“) – întrucât proteinele codificate pot fi ţinta unor noi terapii, care schimbă evoluţia bolii (6). Astfel, amplificarea genei ERBB2 în cancerul de sân, mutaţiile genei EGFR în

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

cancerul pulmonar fără celule mici şi mutaţiile BRAF în melanom sunt aberaţii „acţionabile“ şi „tratabile“, deoarece au valoare prognostică, produsele lor pot fi inhibate cu terapie ţintită şi sunt predictive pentru beneficiul acestei terapii. În schimb, mutaţiile genei IDH1 în glioblastoame sunt „acţionabile“ ca biomarkeri prognostici, dar nu sunt încă „tratabile“ deoarece nu există medicamente ţintite spre produsul genei. Foarte probabil, oncogenomica va creşte numărul aberaţiilor potenţial „acţionabile“ şi „tratabile“, iar acest fapt va duce la o amplificare a capacităţii de a controla şi trata specific un număr din ce în ce mai mare de cancere. În acest context, menţionăm că analiza genomică a unor probe/biopsii multiple din tumora primară a evidenţiat fenomenul de heterogenitate intratumorală: existenţa unor subclone minore, ce derivă din clona majoră, care au mutaţii adiţionale (însă deseori în aceleaşi gene ca şi în clona iniţială). A devenit cert că genomul evoluează pe măsura progresiei tumorii. Evoluţia policlonală „ramificată“ determină însă dificultăţi în folosirea unei terapii ţintite pe o anumită proteină şi explică recurenţa tumorală după astfel de tratamente (noi mutaţii conductoare ce activează căi de semnalizare alternative şi conferă rezistenţă la tratament) (7). Dar leziunile genetice găsite în „trunchiul principal“ (clona iniţială) sunt exprimate şi „în ramurile sale“ (subclone). În aceste condiţii, se impune schimbarea strategiilor terapeutice şi direcţionarea lor spre genă (şi nu spre proteina codificată de genă), urmărind inhibiţia ei funcţională sau restaurarea structurii ei normale (9). Analizele întregului genom tumoral în diferite tipuri de cancer au evidenţiat multe alte date şi fenomene inedite: • noi clase de „gene de cancer“ ce codifică proteine care modifică histonele, controlează transcripţia (de exemplu, factori de transcripţie) sau procesarea transcriptelor, inclusiv procesarea microARN • noi căi şi reţele de semnalizare, asociate cu subtipuri clinice distincte • „semnătura mutaţională“ (a unor factori mutageni din mediu), „profilul molecular (de expresie)“ şi terapia ţintită, „semnătura metastatică“ • interacţiunea dintre genele de cancer (epistazie de amplificare sau de supresie, letalitate sau viabilitate sintetică) • circa 80% din mutaţiile genelor de cancer sunt dominante şi codifică proteine care de obicei sunt activate prin mutaţii; acest fapt va amplifica cercetările de identificare a unor terapii inhibitorii ţintite. Vom relua pe larg aceste probleme în articolele viitoare. Deşi s-au descris „modele caracteristice“ de modificări genetice în diferite cancere, nu se ştie însă dacă achiziţia mutaţiilor este un proces ordonat sau mai exact dacă este importantă „ordinea“ de achiziţie a modificărilor genetice/epigenetice sau „combinaţia“ lor specifică. A devenit importantă şi viteza de achiziţie a mutaţiilor, deoarece universalitatea dogmei gradualismului (achiziţie treptată, cumulativă) este pusă la îndoială de mutaţiile brutale, „big bangs“, de tipul atriţiei telomerelor sau „cromotripsiei“ – ruperea simultană multiplă şi reasamblarea complexă a cromozomilor, descrise în circa 3% din cancere (10). Toate realizările recente ale oncogenomicii au deschis calea medicinii personalizate în cancer, definită ca „o formă de medicină care foloseşte informaţiile despre genele, proteinele şi mediul unei persoane pentru prevenirea, diagnosticul şi tratamentul bolii“ (The US National Cancer Institute). În finalul unui articol special din Journal of Clinical Oncology (2012), o echipă internaţională de experţi concluzionează: „impactul potenţial al genomicii cancerului este enorm“ (6). Cert este şi faptul că patogenia şi managementul bolii canceroase „se rescriu“ în termeni noi, moleculari şi clinicienii care vor să fie „artişti şi nu lăutari“ vor trebui să înveţe şi această nouă partitură „genomică“. 1Integrarea genomicii, transcriptomicii şi proteomicii prin analiza simultană a ADN, a ARN şi a proteinelor unei probe de ţesut tumoral a fost recent numită operomică, fiind unul dintre obiectivele principale ale genomicii bolii canceroase sau oncogenomicii. 2 Activarea protooncogenelor se realizează prin mecanisme multiple: mutaţii sau translocaţii activatoare, hiperexpresie prin amplificare sau anomalii de reglare. 3 Există însă şi excepţii de la această regulă; de exemplu, unele mutaţii ale genei TP53 sunt „dominant negative“, deoarece proteina alelei mutante împiedică funcţia proteinei alelei normale.

Colegiul Național de Informatică “Matei Basarab” Portofoliu informațional biologie Teodorescu Maria-Alexandra Clasa a XII-a D

4 Modificările epigenetice realizează fie „o configuraţie închisă“, prin condensarea cromatinei (produsă de metilarea ADN şi a histonelor), care blochează funcţia (transcripţia) genelor, fie „o configuraţie deschisă“/decondensarea cromatinei (prin demetilarea ADN şi/sau acetilarea histonelor), care permite activitatea genelor.