Poţi identifica o mutaţie canceroasă? Teach article

Tradus de Nadia Bucurenci. Cum se dezvoltă cancerul şi cum pot geneticienii identifica o celulă canceroasă? Această activitate didactică dezvoltată de echipa Communication and Public Engagement team de la Wellcome Trust Sanger Institute, Marea Britanie, răspunde la aceste întrebări şi…

Toate formele de cancer sunt rezultatul modificărilor în secvenţa ADN-ului din celulele noastre. Din cauza expunerii la mutageni, cum ar fi radiaţia UV, materialul genetic din celule poate acumula erori în cursul replicării. Ocazional, una dintre aceste mutaţii poate modifica funcţia unei gene critice, oferind un avantaj de creştere celulei în care a avut loc şi descendenţilor săi; aceste celule se vor înmulţi mai repede decât vecinii lor.

Treptat, ADN-ul acumulează mai multe mutaţii, care pot duce la distrugerea altor gene cheie, obținându-se celule care se înmulțesc necontrolat și sunt invazive. Rezultatul este formarea unei tumori, invadarea ţesutului înconjurător și, eventual, metastază – împraștierea cancerului în alte zone ale corpului.

Genele care, în urma mutaţiilor, conduc la dezvoltarea cancerului, sunt cunoscute ca „genele cancerului”.

Genele supresoare tumorale (TSGs; Figura 1) codifică informaţii pentru producerea proteinelor care încetinesc creşterea celulară, împiedicând înmulţirea inutilă sau provocând apoptoza (moarte celulară programată) dacă ADN-ul celular este deteriorat. Pentru anularea acestui control al ciclului celular trebuie ca ambele copii ale TSG să fie inactivate prin mutaţie. Dacă o singură copie funcţională rămâne, ea funcţionează ca o frână pentru creşterea celulei.

Spre deosebire de ele, proto-oncogenele (Figura 2) codifică proteine care stimulează diviziunea şi diferenţierea (specializarea) celulară. Când aceste gene acumulează mutaţii care fie conduc la producerea de proteine continuu activate, fie fac ca activitatea genei să nu mai fie reglată, ele devin oncogene, stimulând creşterea şi diviziunea celulară necontrolată. Pentru proto-oncogene, o mutaţie în una dintre copiile genei poate fi suficientă pentru a conduce la dezvoltarea cancerului.

Fiecare caz individual de cancer este provocat de un set unic de mutaţii în proto-oncogene şi/sau TSGs. Deşi numărul exact nu se cunoaşte încă, se presupune că sunt necesare cinci sau mai multe mutaţii în genele cancerului pentru ca o celulă (şi descendenţii ei) să devină canceroasă.

KRAS (pronunţat chei-ras) este o proto-oncogenă care codifică proteina KRAS, o proteină de semnalizare intracelulară implicată în stimularea creşterii celulare (pentru a deosebi genele de proteine, numele genelor sunt scrise, în mod convenţional, cu italice). Activitatea următoare permite elevilor să folosească date genomice reale din Proiectul Genomul Cancerului^w1 pentru a studia mutaţiile comune din gena KRAS care sunt asociate cu oncogeneza (formarea cancerului) şi dezvoltarea cancerului cu diverse localizări (pancreatic, colorectal, la plămân etc.). Dezvoltată iniţial pentru vizitele şcolare la Institutul Sanger^w2, activitatea a devenit mai târziu accesibilă prin intermediul site-ului Yourgenome.org^w3. De curând, ea a fost inclusă în primul curs de bioinformatică pentru profesorii europeni ţinut de ELLS^w4 la Institutul European de Bioinformatică^w5 din Hinxton, Marea Britanie. Activitatea completă stimulează discuţii despre cauzele cancerului, funcţia mutaţiilor genice, structura şi funcţia proteinelor.

Activitatea KRAS

Durată estimată: 45-60 minute (cu prezentare şi discuţii)

Materiale

Toate materialele necesare pentru desfăşurarea activităţii pot fi descărcate gratuit de pe website-ul Yourgenome.org, fie individual, fie ca fişier comprimat zip^w6.

• Un set de 11 fişe de lucru (KRAS_student_wsheet.pdf) – câte o fişă pentru o pereche sau grup de elevi. O variantă alternativă este disponibilă pentru printare alb/negru. Pentru grupuri mari (20 sau mai mulţi), folosiţi două seturi de fişe de lucru, asigurând dubla acoperire a genei.

• Un banner cu secvenţa genei KRAS (KRAS_gene_banner.pdf) pentru toată clasa şi o fișă cu gena KRAS (KRAS_genesheet_yg.pdf; Figura 3) per grup de elevi. Fişa genei (tipărită pe A3 sau A4) necesită puţin timp de pregătire. Bannerul KRAS, tipărit pe mai multe foi care se lipesc una de alta, face ca rezultatele întregii clase să fie prezentate simultan.

• O fişă cu roata codonilor (KRAS_codon_wheel.pdf) sau orice alt dicționar al codonilor pentru catena ADN de referinţă, 5’ → 3’ per grup (vezi Figurile 4 și 5).
• O fişă de sinteză (KRAS_ data_sheet.pdf) per grup
• Creioane

Pentru banner, veţi avea nevoie de săgeţi mari pentru a marca mutaţiile în secvenţa genei, de pătrate pentru marcarea regiunilor care au fost verificate (KRAS_annotations.pdf), şi de adeziv repoziţionabil pentru lipirea săgeţilor şi pătratelor pe bannerul cu secvenţa genei. Mai multe despre aceasta metodă în Manualul profesorului^w6 (se poate descărca).

În plus, ar fi util să aveţi la îndemâna modele de ADN, peptide şi/sau proteine şi să folosiţi desenele animate despre cancer de la Wellcome Trust Sanger Institute (Cancer Rogue cells şi Role of cancer genes) de pe site-ul Activitate KRAS^w6.

Introducere

Expunerea Investigarea Cancerului (disponibilă online^w6) propune o privire de ansamblu asupra cancerului. Este introdusă ideea că anomaliile din secvenţa ADN au ca rezultat apariţia cancerului, sunt explicate diversele cauze ale acestor mutaţii şi sunt introduse fişele de lucru şi experimentul. În mai multe secţiuni ale prezentării sunt încurajate discuțiile (vezi notele prezentării^w6).

În prima parte a activităţii elevii identifică, în fişele individuale, diferenţele dintre secvenţele genelor KRAS din celule normale şi tumorale şi le marchează pe banner-ul KRAS sau pe fişa genei.

Fişele conţin datele brute de secvenţiere ale ADN-ului KRAS din celule normale şi canceroase, reprezentate ca diagrame liniare colorate – câte una pentru fiecare regiune a genei. În aceste diagrame, cele patru baze sunt reprezentate prin culori diferite. Fiecare maxim colorat reprezintă o bază ADN individuală:

Roșu: T

Verde: A

Albastru: C

Negru: G (în mod obişnuit aceste maxime sunt galbene, dar această culoare nu se vede bine pe hârtie)

În total sunt 11 fişe numerotate, fiecare conţinând două regiuni diferite ale genei KRAS. Cele şase mutaţii găsite pe gena KRAS sunt pe fişele 1 – 6, deci asiguraţi-vă că aţi amestecat bine fişele înainte de distribuirea lor în clasă. Toate fişele trebuie completate pentru a asigura acoperirea integrală a genei. Este important să menţionaţi că mutaţiile sunt (relativ) rare, deci nu fiecare student va găsi câte una; cu această ocazie se poate sublinia importanţa datelor negative şi a acoperirii integrale în studiile ştiinţifice.

Identificarea mutaţiilor

Folosind fişele, elevii vor compara o secţiune a secvenţei ADN de la o celulă normală şi de la o celulă tumorală ale aceluiaşi pacient. Cel mai simplu mod de a identifica o mutaţie este prin scrierea secvenţei ADN sub maximele colorate (pentru ajutor există o cheie a culorilor pe fiecare fişă) urmată de compararea secvenţelor rezultate.

O literă diferită (un maxim şi-a schimbat culoarea) înseamnă o mutaţie în secvenţa respectivă. În Figura 7 (dreapta), A din secvenţa ADN a celulei sănătoase, a fost înlocuită cu G în celula tumorală.

Dacă elevii găsesc două maxime în poziţia corespunzătoare unei baze, trebuie să înregistreze ambele baze în acea poziţie, una deasupra celeilalte. În Figura 8, secvenţa ADN sănătos are un G, în timp ce secvenţa tumorală are atât G cât și C. Nu este o inserţie: constituie o mutaţie heterozigotă unde, doar într-o copie a genei, s-a înlocuit G cu C. În cazul nostru, în secvenţa tumorală, G este înlocuit cu C.

Toţi studenţii trebuie să indice regiunile genelor pe care le-au verificat prin marcarea regiunilor relevante pe fişa genei (vezi Figura 9, stânga).

Studenţii care găsesc o mutaţie trebuie să indice baza respectivă prin încercuire pe fişa genei (vezi Figura 9) şi să noteze din ce codon face parte (în cazul nostru, codonul 12).

Deasemenea, trebuie completat tabelul din partea de jos a fişei folosind roata codonilor pentru a traduce secvenţa ADN în aminoacidul corespunzător, ca în Tabelul 1:

După ce s-au identificat toate mutațiile, se înregistrează pe fişa de sinteză (vezi Tabel 2).

Comentarea rezultatelor

Rezultatele de mai sus sunt toate substituții ale unei singure baze. Aceste mutaţii din regiunea care codifică proteine, a genei KRAS, pot fi clasificate în unul din cele trei tipuri, în funcție de informația codificată de codonul modificat.

• Mutațiile silențioase codifică același aminoacid.
• Mutațiile cu sens greșit (missense) codifică un aminoacid diferit.
• Mutațiile nonsens codifică un stop și pot scurta proteina.

Comentați dacă mutațiile sunt semnificative – vor avea un impact asupra funcției proteinei sau sunt silențioase? În acest experiment, codonii 30 și 173 fiind silențioși nu au un impact funcțional.

Prezentarea conţine o imagine spaţială 3D a proteinei KRAS (Figura 10, dreapta); în diapozitivele 26-30 se vede unde sunt mutaţiile semnificative în proteină şi veţi remarca că sunt toate în aceeaşi regiune. Primele mutaţii asociate cu transformarea oncogenă a proteinei KRAS au fost în codonii 12, 13 şi 61; mutaţia 146 a fost descoperită abia în 2005. Folosiţi diapozitivele pentru discuţii asupra impactului pe care îl pot avea aceste mutaţii asupra structurii proteice şi funcţiei KRAS în transmiterea de semnale în cursul procesului de creştere.

As an optional activity, the students can use RasMol, the molecular modelling software used to create the images on slides 26–30, to highlight the mutated amino acids in the protein structure. See the teacher notes^w6 for details.

Cum influenţează asemenea informaţii concepţiile noastre despre cancer?

Manualul profesorului^w6 conţine o mulţime de informaţii generale care, folosind KRAS ca exemplu, încurajează discuţiile despre utilizarea informaţiilor genomice pentru aprofundarea cunoştinţelor despre cancer şi descoperirea de noi tratamente. Subiecte de discuţie pentru elevi:

• Ce experimente sau procedee pot fi folosite pentru stabilirea tipurilor de cancer în care sunt implicate mutaţiile KRAS?
• Ce beneficii aduce această informaţie?
• Cancerul este o boală genetică: este rezultatul unor modificări în secvenţa ADN. Din acest motiv, multe persoane cred că cea mai bună cale de a descoperi tratamente noi care să vindece această maladie este o finanţare importantă a cercetărilor în genetica cancerului. Tratamentul cancerului şi îngrijirea pacienţilor necesită sume mari de bani (Serviciul Naţional de Sănătate al Marii Britanii a cheltuit, în anul 2000, 2 miliarde lire sterline numai pentru tratamentul cancerului). Unde şi cum cred elevii că ar trebui cheltuiţi banii?

Download

Download this article as a PDF