epigenética: decodificando el genoma. implicaciones en cáncer. · mas de 200 enfermedades...

Cancer Epigenetics Laboratory Cancer Epigenetics and Biology Program (PEBC)

(IDIBELL) Barcelona, Spain

Dra. María BerdascoAssociate [email protected]

Epigenética: decodificando el genoma. Implicaciones en cáncer.

14 Gener, 2015

Bases celulares y molecularesdel cáncer

Part I

1. Investigación Básica o Fundamental: contribuye alentendimiento de un proceso biológico (p.ej., establecer las bases molecularesalteradas en una célula tumoral).

2. Investigación Aplicada: aplica los conocimientos de lainvestigación básica en casos prácticos que beneficien a la sociedad(p.ej., protocolos de ensayos clínicos).

Objetivo Final: Ganar en la lucha contra el cáncer

Tipos de Investigación Científica

Mas de 200 enfermedades distintas, dependiendo del tejido afectado Las cifras en España (registro AECC, año 2012). Uno de cada tres hombres y una de cada cuatro mujeres se verán afectados a lo largo de la vida. Incidencia: 129.000 nuevos casos/anuales Cáncer en hombres (año 2012): pulmón (16.859), colorrectal (7.703) y próstata (5.409). Cáncer en mujeres (año 2012): mama (5.939), colorrectal (5.631), pulmón (2.624).

Epidemiología del cáncerTumores sólidos Tumores líquidos

Supervivencia del cáncer

‐ Factores INTRÍNSECOS

‐ Factores EXTRÍNSECOSdiagnóstico precozterapias efectivas

INVESTIGACIÓN CIENTIFICA

‐básica‐aplicada

Causas del cáncer

No existen enfermedades, sino enfermos ……Estrés

Predisposición genética

Factores ambientales

Hábitos de vida

Agentes externos

Agentes químicos contaminantes

Radiación UV

Alcohol

Falta de ejercicio físico

Tabaco

Qué es el cáncer

Para entender qué es el cáncer, antes debemos entender qué es la REGENENACIÓN

CELULAR

Ejemplos de regeneración celular

Células epiteliales, sangrepelo

higadoneuronas

…la capacidad de regeneración difiere mucho

de un tejido a otro

Crecimiento o proliferación celular

Nuestros tejidos se regeneran

porque nuestras células se dividen

Número de divisiones limitado

Pérdida de control de la Proliferación Celular: Cáncer

Una célula tumoral se caracteriza por:‐Pérdida de su función normal (desdiferenciación)‐ aumenta la tasa de multiplicación (proliferación)

TUMOR PRIMARIO

Invasión a múltiples órganos: Metástasis

Tipos de metástasis

Diseminación linfática Diseminación hematológica

Diseminación trancelómica(peritoneal, pleural)

Bases moleculares del cáncer: ADN

Nuestras células:‐Respiran‐Comen‐Crecen

‐Laten (cardiacas)‐Metabolizan azucares (páncreas)

‐‐etc.

Quién “dictamina” las funciones de una célula:

‐Material genético (motor)

ATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAGTAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAG

TAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCTAGCAAGTTCCAGTCCGATTATCGTTCAAGGTCAGGCTAA







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TAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAGATCGTTCAAGGTCAGGCTAAATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAGTAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAG













TAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAA

Genoma Humano, descifrando el gran libro de la vida

Precio de secuenciación

Secuenciar el ADN de una persona costaba 75.000 euros en el 2011.

La tecnología actual cuesta entre 2.300 y 3.800 euros.

(Epi)genética en la Salud y en la Enfermedad

Al igual que existen errorres de impresión en los textos literarios…

(Epi)genética en la Salud y en la Enfermedad

… existen errores en la copia de nuestro material genético: MUTACION GENÉTICA

Célula normal

TAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAG

Célula con “cambio genético”

TATCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAG

p.ej.: codifica para la proteína hemoglobina implicada en el transporte de oxígeno en los glóbulos rojos

En la ANEMIA FALCIFORME, se produce una anomalía en esta proteína, deficiencia de transporte de oxígeno

Mutaciones congénitas (heredadas) y adquiridas

1. Mutaciones congénitas (o heredadas): nacemos con ellas porque el “error” genético se transmite de uno de los progenitoresEjemplos: espina bifida, hemofilia, sindrome Down,etc…

2. Mutaciones adquiridas: se producen por alteraciones genéticas durante nuestro desarrollo. ejemplo: cáncer

Proyecto Genoma Humano

Dos seres humanos del mismo sexo comparten un porcentaje elevadísimo

(en torno al 99,9%)

“Somos lo que nuestro ADN determina que seamos”

“Somos lo que nuestro ADN determina que seamos”

La similitud entre el genoma humano y el del chimpancé (Pan troglodytes)

es del 98,77%.

La similitud entre el genoma humano y el del ratón (Mus musculus) es del

90 %.

¿Por qué somos tan distintos si compartimos parte del genoma?

Porque nuestra maquinaria celular interpreta de distintas formas el mismo texto.

La clave es descifrar cómo se controla cada interpretación.









TAGCAAGTTCCAGTCCGATT

TAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAGATCGTTCAAGGTCAGGCTAAATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAGTAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAACGTAG













TAGCAAGTTCCAGTCCGATTGCATCATCGTTCAAGGTCAGGCTAA

Cada célula humana contiene 3.000 millones de nucleótidos (“letras”) que colocados en secuencia, ocuparían

aproximadamente 2m de longitud

ADN, el código de la vida

El diámetro medio de una célula

humana es de10 micras = 1 centésima parte de 1 mm

Los mecanismos de compactación de la cromatina deben ser estables, pero no estáticos.

Estructura de la cromatina y mecanismos epigenéticos

Cromatina y accesibilidad

Cromatina compacta

Cromatina inaccesible

Cromatina “dispersa”

Cromatina accesible

Cromatina y accesibilidad

Cromatina compacta

Cromatina inaccesible

Cromatina “dispersa”

Cromatina accesible

EPIGENETICA

(del griego epi, en o sobre,y ‐genética)

“The difference between genetics and epigenetics can probably be compared tothe difference between writing and reading a book. Once a book is written, thetext (the genes or DNA: stored information) will be the same in all the copiesdistributed to the interested audience. However, each individual reader of a givenbook may interpret the story slightly differently, with varying emotions andprojections as they continue to unfold the chapters. In a very similar manner,epigenetics would allow different interpretations of a fixed template (the book orgenetic code) and result in different read‐outs, dependent upon the variableconditions under which this template is interrogated.”

A Comparison …

Thomas Jenuwein (Vienna, Austria)

Diferencias epigenéticas explican la diferencias en gemelos monocigóticos

Diferencias epigenéticas explican la diversidad de tejidos

Existen cambios epigenéticos asociados al envejecimiento

Epigenetic players

Part II

The structural adaptation of chromosomal regions so as toregister, signal or perpetuate altered activity states.

Adrian Bird, Nature 447(2007)

Epigenetic players

DNA methylation occurs naturally and is necessary for normal development both in plants and animals

1. Global changes during development

2. Control of gene expression

3. Tissue-specific gene repression

4. X chromosome inactivation (in animals)

5. Genomic Imprinting

6. Defense against tranposons, transgenes and other exogenous genes

DNA methylation functionsThe five nucleotide bases of human DNA

Histones: from structural proteins to chromatin regulators

Per octamer•Acetylation•Methylation

•Phosphorylation•Ubiquitination

K Lysine methylation

R Arginine methylation

K Lysine acetylation/methylation

K Lysine acetylation

S Serine phosphorylation

K Lysine ubiquitination

T Threonine phosphorylation

H3

H4

NŠARTKQTARKSTGGKAPRKQLATKAARKSAP--K

NŠSGRGKGGKGLGKGGAKRHRKVLRDNIQGIT1 3 5 8 12 16 20

2 4 189 10 14 17 23 26 27 28K--K--T--K79

S--K--K--K--R79

115 118 122

92

3 11

47 59 77

28

H2BH2A

UbUb

NŠSGRGKQGGKARAKAK S--S--KKQAKTVAKKSGKKPAPASKAPEPŠN

K--K--KYTSSKŠCCŠKGKAKHHSETK119 120

1 5 9 121520 513 15K36

K99

14K43

K85 --R99

232436 32

116108

78 known modifications~3.8 x 10146 possible combinations

Proline isomeritation (Kouzarides, Cell (2006)

Non‐ coding RNAS in cancer: exciting times lie ahead for us

Esteller M. (2011) Nat Rev Genet. 12(12):861‐74

TYPES ON ncRNAs

SHORT ncRNAs•miRNAs 19‐24 bp•piRNAs 26‐31 bp•tiRNAs 17‐18 bp

MID‐SIZE ncRNAs•snoRNAs 60‐300 bp•PASRs 22‐200 bp•TSSa‐RNAs 20‐90 bp•PROMPTs <200 bp

LONG ncRNAs•lincRNAs >200 bp•T‐UCRs >200 bp•others >200 bp

… 70% of the human genome are transcribed, but only 2% encode for proteins!

Part III

What influences Epigenetics?

Epigenetic biomarkers of aging ???

Diet: Natural compounds that can influence our epigenome

Aging

Diet

Disease

Infections

Xenobiotics

Hormones

others

Our epigenetic landscape is influenced by our environment

Part IV

Applications of epigenetic studies

-Differentiation and development-Evolution-Diseases

Regenerative Medicine: Processing of lipoaspirate and isolation of adipose‐ derived stem cells (hASCs)

LIPOASPIRATEwash

Centrifugation, collagenase digest and

plating

ADIPOSE‐ DERIVED STEM CELLS

Stem cell colony Fibroblast‐ like stem cells

Work at Granada University: Dra Aranega’s group

In vitro induction of differentiation of MSCs

MESENCHYMAL STEM CELLS (FROM ADULT FAT TISSUE)

In vitro induction of DIFFERENTIATED CELLS

MIOCYTES OSTEOCYTES

CD73+CD90+ CD105+

CD45‐CD34‐CD133‐

Ab: actin Alizarin red

Stem Cell Research in Regenerative Medicine:how do you see the bottle?

HALF FULL

HALF EMPTY

DEMONSTRATE EFFICACY: ‐ Evaluate integration into host tissue‐ Obtention of pure cultures of specificcell types

DEMONSTRATE SAFETY:‐ Absence of tumor formation‐ Absence of transmissions of infectiousagents

TEST METHODS TO PREVENT REJECTION

AVAILABILITY‐ Easy to harvest for almost of cells types. ‐ Optimized methods for stem cell culture

FLEXIBILITY.‐ Appear to have the potential to make multiple cell types

In adult stem cells: No harm done to the donor. Reduced immunogenity.

Stem Cell Research inRegenerative Medicine:

HALF FULL

HALF EMPTY

IN A CLINICAL SETTING, CAUTION SHOULD BE EXERTED PRIOR TO EMPLOYING hASCS OR ITS DERIVATIVES IN MEDICINE REGENERATIVE BY APPLYING

APPROPRIATE TESTS TO ENSURE INTEGRITY OF THE GENOME

AND EPIGENOME

Consideraciones prácticas en clonación o en medicina regenerativa

DNA methylation differences are present in distinct human populations

Heyn et al., (2013) Genome Res. 23(9):1363‐72.

Part V

Epigenetic in Health …

but also in Disease

Human diseases due to epigenetics defects

… among others

Profile of promoter hypermethylation of the CpG island of tumor‐suppressor genes in human cancer

Esteller M. (2008) N Engl J Med 358:1148‐59

Part IV

Epigenetic management of cancerDiagnosis/prognosisPharmacoepigenetics

Therapy

Epigenetic management of cancer: an example of traslational research

DNA methylomes for 1,628 human samples

Carcinomas of Unknown OriginFernández et al. (2012) Genome Res 22(2):407‐19

Part IV

Epigenetic management of cancerDiagnosis/prognosis

PharmacoepigeneticsTherapy

Epigenetic inactivation of MGMT in human cancer

Esteller et al., (2000) N Eng J Med 343(19):1350‐4Esteller and Herman (2004) Oncogene. 2004 Jan 8;23(1):1‐8

Part IV

Epigenetic management of cancerDiagnosis/prognosisPharmacoepigenetics

Pharmacological Therapy

Epigenetic targets in cancer therapy

Alteraciones Epigenéticas

Mutaciones genéticas

FoodDrugAdministration

Potencial reversible

Epigenetic Drugs

Preclinical Stage Clinical Stage

Histone methylation and demethylation inhibitors

Sirtuin inhibitors and activators

microRNA related compounds

DNA DEMETHYLATING AGENTS

Histone deacetylase inhibitors

Fases de un ensayo clínico farmacológico

Ensayos pre‐clínicos

‐CULTIVOS CELULARES‐ÓRGANOS AISLADOS‐ANIMALES DE EXPERIMENTACIÓN

Ensayos clínicos

Fase I Fase II Fase III Fase IV

‐ HUMANOS

Adultos jóvenes ysanos, generalmentevarones (n<100).

Establecer el rangoseguro de dosificación.

TOXICIDADPacientes con laenfermedad (n=100‐200).

Dos grupos: control (conlos mejores medicamentosya existentes o placebo);problema (nueva molécula).

Establecer la relacióneficaciaterapeútica/toxicidad; lasdosis óptimas de aplicacióny los limites de variación enla respuesta.

VENTANA TERAPEUTICA

Grupos heterogéneoamplio (muchos pacientes,médicos y clínicas).

Verificar la eficacia deltratamiento.

Mejor perspectiva de larelación entre seguridad yeficacia.

VERIFICACIÓN

Farmacovigilancia trasla comercialización delfármaco.

Valorar efectosadversos a largo plazo(toxicidad, efectossecundarios,etc)

Valorar efectospositivos sobre otraspatologías Aplicacionesno previstas.

SEGUIMIENTO

Part V

Presente y Futuro en el tratamiento del cáncer.

Hacia la Medicina Personalizada

Fármacos “inespecíficos”

EFECTOS SECUNDARIOS:

muchos de los fármacos que se emplean en quimioterapia también actúan sobre las células normales.

En especial, en aquellas células que presentan tasas de renovación celular elevada (p.ej., mucosas o pelo).

Quimioresistencia adquirida

RECIDIVA

HETEROGENEIDAD CELULAR

….. Uso de terapias combinadas

Microdisección

Paciente

Biopsia

Presente‐Futuro. Medicina Personalizada.

Perfiles GenéticosPerfiles Epigenéticos

Perfiles proteómicos

Análisis bioinformáticoAnálisis clinico‐patológico

Administración de la TERAPIA MÁS IDÓNEA para cada paciente en

función de su INDIVIDUALIDADquímica y genética

Presente‐Futuro. Terapias dirigidas: anticuerpos monoclonales.

•El HER2/Neu está amplificado en un 20‐30% de las pacientes con cáncer demama. Se asocia a evolución desfavorable y metástasis. Trastuzumab es unanticuerpo específico que se dirige contra estos marcadores presentes en lascélulas tumorales y que ha demostrado aumentar la supervivencia de laspacientes.

•Bevacizumab se une al factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF)situados en la superficie de las células endoteliales. Al neutralizar la actividadbiológica del VEGF se reduce la vascularización de los tumores y, por tanto, seinhibe el crecimiento del tumor. Se aplica en cáncer colorrectal.

•Mas del 80 % de los canceres de colon y alrededor del 90% de los de cabeza ycuello tienen el antígeno EGFR en la superficie de sus células, un receptor delfactor de crecimiento epidérmico. Cetuximab es un anticuerpo monoclonal quebloquea este receptor y el crecimiento del tumor se enlentece.

Premio Príncipe de Asturias 2012

Presente‐Futuro. Ejemplos de Terapias dirigidas

Un 16% de los pacientes con cáncer de pulmón no microcítico tienenmutaciones genéticas en EGFR. El tratamiento con la tirosin quinasaerlotinib presentan un ratio de respuesta del 70% en pacientes conEGFR mutado, frente al 30% alcanzado por la quimioterapiaconvencional.

Mutaciones de BRAF se encuentran en un 60% de los melanomasmetastásicos. En estos, se produce una respuesta al fármacoVemurafenib.

FARMACOGENÉTICA: utilizar los datos genéticos del paciente para predecir la respuesta a un tratamiento

DIAGNOSIS

Tomografía axial computarizada(TAC)

RADIOTERAPIA

Radioterapia dirigida por imagen (IGRT)

CIRUGIA

Desarrollo de herramientas quirúrgicas más precisas

Avances tecnológicos

Estado actual

… podemos hablar de grandes progresos en los últimas décadas que se reflejan en las tasas de supervivencia

Cancer Epigenetics Group at PEBC

Group LeaderManel Esteller

Associate ResearchersMaría BerdascoSonia GuilDori HuertasEsteban Fernando Setién

Post‐doctoral staffJesús MéndezSilvia BarcelóCarolina De la TorrePaula LopezOlafur StefanssonHolger HeynGeert van TeteringAngel DíazAnna MartinezAnna Portela

Graduate StudentsJulia LizFrancisco Javier Carmona Alexia MartinezVanesa NogalesMiguel VizosoHumberto FerreiraPaolo Petazzi

TechniciansSebastián MoránCarmen CasalCatia MoutinhoCarles ArribasLaura RoaOlga JorgeSergi SayolsMiguel LopezElisabet CañeteMarta Soler

Manuel RodriguezYutaka HashimotoEnrique VidalAntonio GómezJuan SandovalAna Belén CrujeirasMauricio SáezMaria Veronica Davalos

Karolina SzczesnaCarmen AnadónJoao RamalhoLaia SimoRaquel BoquéJose Vicente Sanchez

Gracias por vuestra atención!!!

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