¿Puedes descubrir una mutación cancerígena? Teach article

Traducido por Ana Gil. ¿Cómo se desarrolla el cáncer y como pueden saber los genetistas que una célula es cancerosa?. Esta actividad educativa desarrollada por el equipo de Comunicación y Actividades Públicas (Communication and Public Engagement team )del Instituto Wellcome Trust Sanger de…

Todos los cánceres son el resultado de variaciones en la secuencia del ADN de algunas de nuestras células. Debido a que el material genético del interior de las células está expuesto a agentes mutagénicos como la radiación UV, puede acumular errores durante la replicación. En ocasiones, una de estas mutaciones altera la función de un gen crítico, dotando a la célula donde ha ocurrido y a sus descendientes de una ventaja en su crecimiento; estas células se dividirán a mayor velocidad que sus vecinas.

Poco a poco, el ADN adquiere más mutaciones, lo que puede conducir a la alteración de otros genes clave, dando como resultado células invasivas de crecimiento especialmente rápido. El resultado es la formación de un tumor,la invasión del tejido circundante y finalmente metástasis- la extensión del cáncer a otras partes del cuerpo.

Los genes que conducen al desarrollo de un cáncer cuando mutan se llaman “genes de cáncer”.

Los genes supresores de tumores (GST; Figura 1) codifican la información para fabricar proteínas que normalmente ralentizan el crecimiento de la célula, evitando divisiones innecesarias o potenciando la apotosis (muerte programada celular) si el ADN de la célula resulta dañado. Ambas copias de un GST deberían haber sido inactivadas por una mutacion antes de que se pierda el control del ciclo celular. Si permanece una copia funcional, todavía existe un “freno” en el crecimiento celular.

Los protooncogenes (Figura 2), por el contrario, codifican proteínas que potencian la división y la diferenciación (especialización) celular. Cuando estos genes adquieren mutaciones que o bien hacen que las proteínas permanezcan activas continuamente o bien conducen a que la actividad de los genes ya no sea regulada, se transforman en oncogenes , potenciando la división y el crecimiento incontrolado de las células. Para los protooncogenes, la mutación en una de las copias del gen puede ser suficiente para conducir al desarrollo del cáncer.

Cada caso particular de cáncer es causado por un conjunto unico de mutaciones en los protooncogenes y/o GST. Aunque no se sabe todavía el número, se piensa que son necesarias cinco o más mutaciones en los genes de cáncer para que una célula (y su descendencia) se vuelva cancerosa.

KRAS (que se pronuncia kay-ras) es un protooncogén que codifica la proteína KRAS, una proteína intracelular señalizadora implicada en estimular el crecimiento celular (para distinguir los genes de las proteínas, el nombre de los genes se escribe por convención en cursiva). La siguiente actividad permite a los estudiantes utilizar datos genómicos reales del Cancer Genome Project^w1 (Proyecto Genoma del Cáncer) para investigar las mutaciones comunes en el gen KRAS que están asociadas con la oncogénesis (formación de un cáncer) y el desarrollo de cáncer de páncreas, colorectal, de pulmón y otros. Originalmente desarrollada para las visitas escolares al Instituto Sanger^w2, la actividad se puso a disposición del público a través de la web Yourgenome.org^w3. Recientemente formó parte del primer curso de bioinformática para profesores europeos impartido por ELLS^w4 en el Instituto Europeo de Bioinformática (European Bioinformatics Institute^w5 en Hinxton, Reino Unido. La actividad completa simula la discusion sobre las causas del cáncer, la función de las mutaciones en los genes y la estructura y función de las proteínas.

La actividad del KRAS

Duración estimada: 45-60 minutos (con la presentación y la discusión)

Materiales

Todo el material necesario para llevar a cabo la actividad puede descargarse gratuitamente de la web Yourgenome.org tanto individualmente o como un archivo zip comprimido^w6.

• Un juego de 11 fichas de trabajo (KRAS_student_wsheet.pdf) – una hoja para cada pareja o grupo de estudiantes. Una versión alternativa está disponible para impresoras de blando y negro o para su uso con estudiantes daltónicos. Para grupos numerosos (20 o más), hay que usar dos juegos de fichas, teniendo en cuenta que el gen tiene doble cobertura.

• Una bandera con la secuencia del gen KRAS (KRAS_gene_banner.pdf) para toda la clase, y una hoja del gen KRAS (KRAS_genesheet_yg.pdf; Figure 3) para cada grupo de estudiantes. La hoja del gen (impresa en tamaño A3 o A4) requiere poco tiempo de preparación. La bandera del KRAS, impresa en varias hojas de papel que hay que juntar y pegar, permite que los resultados de toda la clase se muestren a la vez.
• Una rueda de codones (KRAS_codon_wheel.pdfo cualquier otra tabla de codones para la dirección 5` – 3`del ADN) para cada grupo (ver Figuras 4 y 5)
• Una hoja resumen (KRAS_ data_sheet.pdf) por grupo
• Bolígrafos

Para usar la bandera, se necesitarán también flechas grandes para marcar las mutaciones en la secuencia del gen, cuadrados para marcar las regiones que se han comprobado (KRAS_annotations.pdf), y pegamento reutilizable (por ejemplo Blu Tack®) para pegar las flechas y los cuadrados a la bandera con la secuencia del gen. Más información sobre cómo usar este método en los apuntes para el profesor^w6 que se pueden descargar.

Además, puede encotrar útil el tener modelos de ADN, péptidos y/o proteínas a mano y usar las animaciones del Wellcome Trust Sanger Institute (Cáncer: células malas (Cancer: Rogue cells ) y El papel de los genes del cáncer (Role of cancer genes)) en la web de la actividad del KRAS^w6.

Introducción a la actividad

La presentación Investigando el Cáncer (disponible online^w6) dota a los estudiantes con una visión general sobre cáncer. Introduce el concepto de que el cáncer surge debido a anormalidades en la secuencia del ADN, explica las distintas causas de estas mutaciones e introduce las fichas y la actividad. Varias secciones de la presentación animan a que los estudiantes discutan (ver los apuntes de la presentación^w6).

En la primera parte de la actividad, los estudiantes indentifican las diferencias entre las secuencias del gen KRAS en células sanas y en células tumorales en sus fichas, y las marcan en la bandera del KRAS o en la ficha del gen.

Las fichas tienen las imágenes originales obtenidas al secuenciar el ADN del KRAS en muestras de células sanas y cancerosas, representadas como trazos de líneas coloreadas – una para cada región del gen. Las cuatro bases se representan es estos diagramas mediante cuatro colores diferentes. Cada pico de color representa una base individual de ADN:

Rojo: T

Verde: A

Azul: C

Negro: G (normalmente estos picos son amarillos pero no resulta fácil de leer en papel)

Hay 11 fichas numeradas en total, cada una muestra dos regiones diferentes del gen KRAS. Las seis mutaciones encontradas en el gen KRAS están en las fichas de la uno a la seis, por lo que hay que asegurarse de mezclar las fichas antes de repartírselas a la clase. Todas deben de completarse para asegurar la cobertura total del gen. Es importante recalcar a los estudiantes que mutaciones son (relativamente) raras, por lo que no todo el mundo va a encontrar una; esto puede usarse para tratar la importancia de los datos negativos y la cobertura integral en los estudios científicos.

Identificando las mutaciones

Utilizando las fichas, los estudiantes compararán una sección del ADN secuenciado de una célula sana y de una célula tumoral del mismo paciente. La forma más sencilla de identificar si ha ocurrido una mutación es escribir la secuencia del ADN debajo de los picos coloreados (hay una clave de los colores en la ficha para ayudar) y comparar las secuencias escritas.

Si una de las letras es diferente (un pico ha cambiado de color), esto indica una mutación en la secuencia. En la figura 7 (derecha), la A en la secuencia de ADN de la célula sana ha sido reemplazado por G en la célula tumoral.

Si los estudiantes encuentran un pico doble en la posición de una base, se debe escribir las dos alternativas para la base en esa posición, una sobre la otra. En la figura 8, la secuencia sana del ADN tiene una G, mientras que la secuencia tumoral tiene tanto G como C. No se trata de una inserción: representa una mutación heterocigótica donde sólo una copia del gen ha sustituido una C por una G. En este caso la secuencia tumoral ha reemplazado G por C.

Todos los estudiantes deberían indicar las regiones del gen que han revisado poniendo unas marcas de visto bueno en la zona relevante en la ficha del gen (ver Figura 9, izquierda).

Los estudiantes que encuentren una mutación deberán indicar la base específica rodeándola en la ficha del gen (ver Figura 9) y anotando sobre qué codón se encuentra (en este ejemplo, en el codón 12).

Deberán rellenar también la tabla de la parte de abajo de la ficha, usando la rueda de codones para traducir la secuencia de ADN en el aminoácido correspondiente, como se muestra en la Tabla 1:

Cuando se han encontrado todas la mutaciones, hay que recogerlas en la ficha resumen de datos (ver la Tabla 2).

Discutiendo sobre los resultados

Los resultados anteriores son todos sustituciones de una única base. Estas mutaciones dentro de la región del gen KRAS que codifica proteínas se pueden clasificar en tres tipos, dependiendo de la información codificada por el codón alterado.

• Las mutaciones silenciosas codifican el mismo aminoácido.
• Las mutaciones de sentido equivocado codifican un aminoácido diferente.
• Las mutaciones sin sentido codifican un “stop” y pueden truncar la proteína.

Discutir si las mutaciones son significativas -¿tendrán un impacto en la función de la proteína o son “silenciosas”? En esta actividad, los codones 30 y 173 son silenciosos y por tanto no tienen ningún impacto en la función.

La presentación tiene una imagen en tres dimensiones de la proteína KRAS (Figura 10, derecha); las diapositivas 26-30 muestran en qué lugar de la proteína se encuentran las mutaciones significativas, y uno se da cuenta de que están todas en la misma región. Los codones 12, 13 y 61 fueron las primeras mutaciones que se asociaron con la transformación oncogénica de la proteína KRAS; la mutación 146 sólo se descubrió en 2005. Estas diapositivas se pueden usar para discutir el impacto que las mutaciones prodrían tener en la estructura de la proteína y en la función de KRAS en la señalización del crecimiento.

Como actividad opcional, los estudiantes pueden usar RasMol, el software de modelado molecular usado para crear las imágenes de las diapositivas 26-30, para resaltar los aminoácidos mutados en la estructura de la proteína. Para más detalles consulta los apuntes para el profesor^w6.

¿Cómo una información como esta influencia nuestro acercamiento al cáncer?

Los apuntes para el profesor^w6 contienen una abundante información, usando KRAS como un ejemplo, para estimular la discusión sobre cómo la información genómica puede usarse para favorecer nuestra comprensión del cáncer y desarrollar tratamientos. Los puntos de discusión para los estudiantes incluyen:

• ¿Qué experimentos o enfoques podrían usarse para establece qué cánceres implican las mutaciones del KRAS?
• ¿Cuáles podrían ser las ventajas de conocer esta información?
• El cáncer es una enfermedad genética: es el resultado de cambios en la secuencia del ADN. Por eso mucha gente cree que la mejor manera de desarrollar nuevos tratamientos para el cáncer y de tratar la enfermedad es destinar importantes recursos a la investigación de la genética del cáncer. El tratamiento del cáncer y la atención a los pacientes también requiere grandes cantidades de dinero (el Servicio de Salud Pública de Reino Unido ( UK National Health Service) gastó más de 2 billones de libras tan solo en atención en el año 2000). ¿Dónde y cómo piensan los estudiantes que debería gastarse el dinero?

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