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Las mutaciones en el genoma mitocondrial y LA METÁSTASIS

Mutations in mitochondrial genome and Metastasis

Alejandro Zentella Dehesa

Unidad Periférica del Instituto de Investigaciones Biomédicas en el Departamento de Bioquímica “Guillermo Soberón Acevedo” del Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición “Salvador Zubirán”

El cáncer se encuentra hoy entre la segunda y tercera causa de muerte en todas las poblaciones del mundo, su mortalidad se deriva de la capacidad de las células cancerosas de diseminarse a través del torrente sanguíneo y colonizar órganos vitales. Este proceso de diseminación o metástasis representa la última fase de la progresión tumoral y por su asociación con la mortalidad tumoral ha sido el foco de múltiples estudios. Es común considerar que el cáncer se manifiesta como resultado directo de la mutación de genes maestros que controlan la vida celular como el oncogen v-Ras responsable del sarcoma aviar de Rous descrito por Peyton Rous a principios del siglo pasado. En contraposición con esta idea se han identificado genes y condiciones ambientales que tienen un efecto indirecto en la progresión tumoral hacia la metástasis, como ocurre con la expresión del factor de crecimiento vascular (VEGF) en respuesta a la hipoxia, una idea propuesta por Juda Folkman hace más de 25 años (1). El trabajo de Ishikawa y colaboradores, publicado en la revista Science en mayo de este año (2), presenta evidencias convincentes de que mutaciones puntuales en el genoma mitocondrial pueden actuar en forma indirecta sobre el genoma nuclear para promover cambios en las células tumorales que confieren un fenotipo metastásico. Su diseño experimental se basó en intercambiar entre células tumorales con diferentes fenotipos metastásicos, mitocondrias con mutaciones puntuales en sus genomas. Sus resultados muestran que, si las mutaciones mitocondriales interaccionan con el genoma nuclear en un fondo genético tumoral adecuado con potencial metastásico, las mutaciones del genoma mitocondrial pueden hacer que este potencial se manifieste. Con este trabajo queda documentado que mutaciones en el genoma mitocondrial pueden contribuir a la progresión tumoral hacia un fenotipo metastásico y a la letalidad del cáncer.
Genoma mitocondrial y cáncer

Cuando pensamos en el genoma humano es frecuente olvidar al genoma mitocondrial que codifica para genes necesarios en la traducción mitocondrial (RNAs ribosomales y de transferencia) y para algunas subunidades de la cadena respiratoria. A pesar de ser relativamente pequeño comparado con el genoma nuclear, alteraciones en el genoma mitocondrial han mostrado tener profundos efectos en la salud conduciendo a una variedad de enfermedades. Deleciones del genoma mitocondrial se asocian al proceso de  envejecimiento, mientras que una serie de mutaciones puntuales en las subunidades de la cadena respiratoria son causantes de enfermedades que afectan al músculo esquelético y al sistema nervioso, otras mutaciones se asocian al desarrollo del Alzheimer y también al cáncer. Hasta ahora, no quedaba claro si las mutaciones asociadas al cáncer eran causa o consecuencia del proceso tumorigénico, sin embargo, el grupo del doctor Jun-Ichi Hayashi (2) de la Universidad de Tsukuba en Japón, ha mostrado una clara relación causal de las mutaciones puntuales G13997A y 13885insC del genoma mitocondrial, ubicadas en el gen que codifica para la subunidad 6 de la NADH deshidrogenasa del complejo I de la cadena respiratoria, con la producción de radicales libres y con la expresión de genes nucleares que resultan en un incremento de la capacidad metastásica in vivo. Previamente, se habían postulado este tipo de relaciones pero no habían podido ser documentadas (3, 4).

Uno de los costos que pagamos por tener mitocondrias con cadenas de transporte de electrones acopladas a gradientes de protones para la síntesis de ATP, es la continua exposición del genoma mitocondrial a altas concentraciones de radicales libres. De hecho, la función respiratoria de la mitocondria es la principal fuente celular de especies reactivas del oxígeno (ROS); se estima que hasta el cinco por ciento de los electrones que viajan por la cadena respiratoria escapan por el sitio I (NADH deshidrogenasa) y generan ROS. Los radicales libres generados producen mutaciones en el genoma mitocondrial que, por esta razón, presenta tasas de mutación más elevadas que el genoma nuclear a pesar de contar con sus propios mecanismos de reparación de daño al ADN mitocondrial.

En el genoma nuclear donde sólo tenemos dos copias, una de origen materno y otra de origen paterno, esta magnitud de daño sería letal. Sin embargo, ya que contamos con cerca de mil mitocondrias por célula, cada una con su genoma mitocondrial, este tipo de daño es tolerable pero causa heteroplasmía, es decir, mitocondrias con una diversidad de genomas dentro de una misma célula. La actividad respiratoria se ha asociado con un gradual aumento en la proporción de genomas con mutaciones puntuales y deleciones que se asocian a la senescencia celular y al desarrollo de cáncer. Dada la participación de la mitocondria en la ruta intrínseca de apoptosis se reconoció a las mutaciones en el DNA mitocondrial que confirieran resistencia a la apoptosis como las primeras mutaciones del genoma mitocondrial que podrían contribuir activamente en la progresión tumoral (5).

En contraste, la participación de mutaciones del genoma mitocondrial en procesos como la metástasis llegó incluso a ser puesta en duda (6,7). Cabe mencionar que si bien las mutaciones de la subunidad N6 de la NADH deshidrogenasa inducen un fenotipo metastásico en células tumorales con bajo potencial invasivo, en células no tumorales NIH 3T3 no ocurre lo mismo. La interpretación más sencilla es que la alteración en el genoma mitocondrial requiere de un fondo genético nuclear ya alterado. Este resultado es consistente con otras observaciones donde la sobreexpresión de oncogenes como Bcl-2 no son suficientes para promover la progresión tumoral implicando la participación de otros oncogenes. Por tanto, parece que el efecto de las mutaciones en el genoma mitocondrial sobre la progresión tumoral depende de un fondo genético nuclear con otras mutaciones, probablemente asociadas a la transformación tumoral.

El genoma mitocondrial es un relicto de un evento endosimbiótico entre una eubacteria primitiva que alojó a una bacteria del grupo de las Archae, que a lo largo de miles de millones de años ha estado sometido a presiones de selección que han hecho que la mayoría del genoma original de la bacteria haya sido transferido al genoma nuclear. Sin embargo, esta transferencia no ha sido completa y algunos genes de las subunidades de la cadena respiratoria aún persisten en el genoma mitocondrial. La existencia de dos genomas en una misma célula, requiere de coordinación y regulación cruzada en especial durante la biogénesis y remodelación mitocondrial. Este escenario se complica aún más si consideramos que en el adulto la mayoría de las células presentan una variedad de genomas mitocondriales y que las mitocondrias pueden fusionarse y fisionarse durante la adaptación al ejercicio o el desarrollo de la apoptosis. Los hallazgos realizados por el grupo del doctor Hayashi (2) en células tumorales evidencian precisamente la complejidad y lo poco que aún entendemos de este tipo de interacciones funcionales entre el genoma mitocondrial y el genoma nuclear. En particular, el grupo del doctor Hayashi encontró que la mutación puntual de un gen mitocondrial que interrumpe el transporte de electrones en el sitio I conduce a que el genoma nuclear trate de complementar esta disfunción con un cambio en su patrón de expresión génica, caracterizada entre otros aspectos, por un incremento en genes asociados al desarrollo de metástasis como: MCL, proteína anti-apoptótica de la familia de Bcl-2 identificada en leucemia mieloide; HIF-1alfa, factor de transcripción inducido por hipoxia y VEGF, factor de crecimiento del endotelio vascular. Inesperadamente, este cambio en el patrón de expresión nuclear conduce a una mayor eficiencia metastásica in vivo.

Los estudios de microarreglos en células que sobreexpresan o a las que se les elimina una sola proteína reguladora han mostrado que el genoma suele complementar el exceso o pérdida de función de un solo gen con cambios en un número inesperadamente grande de genes. Se asume que sólo algunos de estos cambios ocurren en genes maestros que responden directamente a la alteración primaria, mientras que la mayoría de las variaciones observadas son una consecuencia de los cambios en los genes maestros. La dificultad en un microarreglo radica siempre en distinguir a estos dos grupos de genes. El estudio del efecto de las mutaciones del gen mitocondrial que codifica para la subunidad N6 de la NADH deshidrogenasa se enfrentó a las mismas dificultades. Distinguir entre este conjunto genes al gen o al conjunto de genes asociados al fenotipo metastásico no es una tarea sencilla. Ishikawa y colaboradores (2) reportan que el análisis por microarreglos reveló cambios en la expresión génica nuclear en al menos 87 genes, 76 incrementaron su expresión y 21 la disminuyeron. Los cambios incluyeron incrementos en la expresión de 5 grupos de genes: I) genes asociados a la glicólisis (como el transportador de glucosa SLC2a3, y las enzimas aldolasa, transcetolasa, glucocinasa y hexocinasa), II) genes asociados a la angiogénesis (como el factor de crecimiento placentario), III) genes asociados al control de la apoptosis (como 3 diferentes inhibidores de la apotosis o IAPs, y MCL), IV) genes relacionados a la adhesión celular (como cadherinas, colágenas globulares y ICAM4 o integrina beta-3) y V) genes de proteasas (como caspasa-1, calicreinas ó la peptidasa de serina testicular-2). Estos cambios se asocian a un cambio del fenotipo celular caracterizado por un mayor consumo de glucosa, incremento en la generación de especies reactivas de oxígeno y un incremento en la capacidad de promover metástasis experimental y metástasis espontánea en modelos murinos. Pero, ¿cuál de todos estos genes o cuál combinación es responsable del fenotipo metastásico? Sorprendentemente, dentro de este numeroso grupo de genes cuya expresión cambia, el uso de RNAs de interferencia (siRNA) contra uno solo de estos genes, MCL-1 (secuencia de células de leucemia mieloide-1) fue suficiente para abatir el potencial metastásico in vivo conferido por la mutación del gen mitocondrial.

¿Por qué no hay más de estos estudios?

El desarrollo de una gran variedad de vectores de expresión junto con el desarrollo de las técnicas de transfección y la posibilidad de introducir RNAs de interferencia ha permitido sobreexpresar o apagar la expresión de una proteína específica, siempre y cuando ésta se exprese en el genoma nuclear.  Los principales obstáculos que hacen que este tipo de estudios con genes mitocondriales sean escasos, son la dificultad y la laboriosidad para manipular las más de mil copias del genoma mitocondrial. Para este fin el grupo del doctor Hayashi (2) se basó en tres procedimientos desarrollados hace más de 50 años, los cuales modificó para anular e intercambiar genomas mitocondriales; estas técnicas exigen de un trabajo arduo y lento que además requiere de una tediosa verificación y caracterización de las células generadas.

Conclusión

A pesar de su limitado tamaño comparado con el genoma nuclear, el genoma mitocondrial ha mostrado ser un elemento versátil que participa en una variedad de funciones celulares insospechadas. Durante la segunda mitad del siglo pasado, la teoría quimiosmótica propuesta por Peter Mitchell permitió explicar cómo el transporte de electrones permite generar gradientes de protones y acoplarlos a la síntesis de ATP. A esta función se añadió la producción de radicales libres y sus controvertidos efectos celulares, así como su inmensa capacidad para acumular calcio (Ca2+). La elevada tasa de mutaciones en el genoma mitocondrial llevó a proponerlas como un componente importante de la senescencia celular y del envejecimiento. Sus polimorfismos, su patrón de herencia materna y la heteroplasmía permitieron emplear al genoma mitocondrial para seguir la genealogía del Homo sapiens e investigar la dispersión de la población humana (8-10). Durante el último cuarto del siglo se descubrieron las bases moleculares y celulares de la apoptosis y la participación de la mitocondria en la vía intrínseca. Ahora, el trabajo de Ishikawa y colaboradores (2) pone de manifiesto un diálogo entre el genoma mitocondrial y el genoma nuclear que asegura un funcionamiento coordinado del que por el momento sólo sabemos de su existencia. En cualquier caso es claro que algunas alteraciones en el genoma mitocondrial conducen a un cambio de expresión génica nuclear que puede contribuir a la progresión tumoral hacia un fenotipo metastásico (11) z.

Referencias

Folkman J (1990) What is the evidence that tumors are angiogenic dependent? J Natl Cancer Inst; 82:4.
Ishikawa K, Takenaga K, Akimoto M, Koshikawa N, Yamaguchi A, Imanishi H, Nakada K, Honma Y, Hayashi JI (2008) ROS-generatingmitochondrial DNA mutations can regulate tumor cell metástasis. Science; 320:661.
Singh KK (2006) Mitochondria damage checkpoint, aging, and cancer. Ann NY Acad Sci; 1067:182.
Czarnecka AM, Golik P. Bartnik E. (2006) Mitochondrial DNA mutations in human neoplasia. J Appl Genet; 47:67.
Kujoth GC, Leeuwenburgh C, Prolla TA (2006) Mitochondrial DNA mutations and apoptosis in mammalian aging. Cancer Res; 66:7386.
Rew DA (2001) Mitochondrial DNA, human evolution and the cancer genotype. Eur J Surg Onco; 27:209.
Kucej M, Butow RA (2007) Positive evolutionary tinkering with mitochondrial nucleoids. Trends Cell Biol; 17:586.
Torroni A, Achilli A, Macaulay V, Richards M, Bandelt HJ (2006) Harvesting the fruit of the human mtDNA tree. Trends Genet; 22:339.
Forster P (2004) Ice Ages and the mitochondrial DNA chronology of human dispersals: a review. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci; 359(1442):255-264.
  Garrigan D, Hammer MF (2006) Reconstructing human origins in the genomic era. Nat Rev Genet; 7:669.
Gogvadze V, Orrenius S. Zhivotovski B (2008) Mitochondria in cancer cells: what is so special about them? Trends Cell Biol; 18:165.

Artículo publicado en Gaceta Biomédicas, mayo del 2008.

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