Genes de câncer podem existir fora dos nossos cromossomos
 

MedicinaGenes de câncer podem existir fora dos nossos cromossomos

Diógenes Henrique21 de fevereiro de 20171523 min

Adaptado do original no The Scientist.

Pesquisadores descobrem que pequenos pedaços de DNA que abrigam oncogenes são relativamente difundidos no câncer.

Geneticamente, os tumores são uma bagunça. As células tumorais individuais têm um espectro único de mutações, e esta heterogeneidade é conhecida por conduzir a evolução do tumor e a resistência aos tratamentos de câncer. Uma pequena parte dos cânceres, em muitos tipos de tumor, eventualmente, desenvolvem o talento para esquivar nossos melhores tratamentos.

Pesquisadores agora descobriram porque alguns cânceres desenvolvem essa habilidade. Em um estudo publicado na Nature em 08 de fevereiro, Paul Mischel do Instituto Ludwing de Pesquisa do Câncer da Universidade da Califórnia, San Diego (UCSD) e seus colegas relatam um outro nível de heterogeneidade do tumor: DNA não cromossômico generalizado — provavelmente DNA circular — encontrado em quarenta por cento das linhas de células tumorais analisadas.

Para isso, eles guardam cópias de seus genes fora dos nossos cromossomos. A maior parte do DNA codificador de genes da nossa célula é envolto com moléculas super longas chamadas cromossomos. Nós temos 46 deles, definidos em 23 pares, que são tipicamente duplicados e distribuídos uniformemente em todas as nossas células. Dentro de organelas celulares chamadas mitocôndrias também temos alguns segmentos circulares de DNA, que são divididos de formas bastante uniformes.

Em ocasiões raras, o DNA extracromossômico (ecDNA), também pode ser encontrado flutuando dentro de uma célula. Embora geralmente curto, esses segmentos circulares de ácido nucleico podem ter mais de 20.000 pares de base no seu comprimento, contendo frequentemente sequencias repetidas copiadas de um cromossomo. Ainda que o ecDNA tenha sido detectado em certos tipos de tecido cancerígeno desde a década de 1960, as ferramentas para medi-lo em detalhes não foram suficientes para compreender sua prevalência até recentemente.

Os genes que têm o potencial de sofrer mutação e contribuir para a formação de um câncer são conhecidos como oncogenes. Acontece que no estudo de agora, esse DNA extra-cromossômico (ecDNA) expressou múltiplas cópias de oncogenes associados com o crescimento e a sobrevivência do tumor. A descoberta sugere que este DNA não cromossômico provavelmente contribui para a heterogeneidade e evolução do tumor.

“Este é o primeiro estudo abrangente da freqüência de DNA extracromossômico encontrado em diversos tipos de câncer”, diz Charles Swanton, que estuda a diversidade de câncer no Instituto Francis Crick no Reino Unido, e que não esteve envolvido no trabalho, informou a The Scientist. “Os resultados apresentados ilustram quão prevalente este processo é e quão importante é provável que o ecDNA seja para alterar o comportamento fenotípico das células cancerígenas para se adaptar às pressões de seleção”.

Ou estudioso na área reflete sobre a importância do estudo da equipe da UCSD. “Este estudo fornece ainda uma outra camada de dimensionalidade a como os tumores permute seu material genomico tornam-se mais aggressivos ao adaptarem-se à terapia [anti-cancer],” disse Levi Garraway, chefe do desenvolvimento global sobre oncologia na Eli Lilly (uma empresa farmacêutica com sede na cidade de Indianápolis, Estados Unidos), que também não esteve envolvido com a pesquisa, segundo a The Scientist.

Houve um avanço rápido em 2014, quando  Mischel descobriu que o ecDNA desempenha um papel fundamental em um tipo de tumor cerebral chamado glioblastoma, desenvolvendo resistência a certos medicamentos. Num artigo publicado em Science em 2014, Mischel e seus colaboradores descobriram que as células de glioblastoma que expressam um gene EGFR mutado podem desenvolver resistência aos fármacos anti-EGFR pela eliminação dos genes EGFR mutados encontrados em DNA não cromossômico. Até então, pensava-se que o ecDNA que codifica oncogene fosse raro e o papel deste DNA não cromossômico no crescimento e na evolução do tumor não estava bem compreendido.

Normalmente, quando os pesquisadores querem estudar a resistência dos cânceres, eles precisam saber como funciona o gene que o causa. A localização do gene não tem recebido tanta atenção.

A pesquisa de Mischel sugeriu que “onde” o gene é encontrado poderia ser tão importante quanto saber “o que” ele faz. “O EcDNA era pensado para ser uma coisa menor, estranha que acontece em alguns tumores”, disse Mischel. “Ocorreu-nos depois que nós  publicamos nosso estudo em 2014 que talvez o ecDNA fosse muito mais comum e significativo do que qualquer um pensou”, informa o pesquisador à The Scientist.

Uma das razões para essa lacuna de conhecimento, de acordo com Mischel, é que a próxima geração de sequenciamento pode quantificar o número de sequências específicas, mas nem sempre pode mapeá-las com precisão para um local, especialmente se essa localização não está em um cromossomo.

Kristen Turner , pós-doutorado no laboratório de Mischel, primeiro quantificou a prevalência de ecDNA entre 2.572 células de 117 linhagens de células tumorais derivadas de pacientes, oito amostras de células humanas não cancerosas e 10 linhagens celulares imortalizadas, mas não cancerosas. A equipe desenvolveu um software de imagem para detectar o ecDNA na propagação da metafase — quando os cromossomos emparelhados e o ecDNA podem ser facilmente distinguidos — de cada tipo de célula. O ecDNA quase nunca foi detectado em células normais, enquanto que 40 por cento de uma variedade de tipos de câncer e quase 90 por cento das células de pacientes com tumores cerebrais no modelo de enxerto heterólogo abrigou ecDNA. Dentro de um determinado tumor, a frequência de ecDNA variou enormemente.

Ou seja, usando uma gama de ferramentas de modelagem clínica tipicamente usadas nos campos de citogenética, genômica e bioinformática, Mischel e sua equipe descobriram ecDNA entre 40% e 90% das linhagens tumorais que eles analisaram. Curiosamente, quase nenhum ecDNA foi detectado nas células não-cancerosas. O próximo passo era descobrir o que havia nesses anéis flutuantes de DNA.

“É surpreendente que os autores descobriram que quase metade das diferentes linhagens de células tumorais que analisaram continha ecDNA”, observou Rameen Beroukhim, um pesquisador de câncer no Instituto de Câncer Dana-Farber em Boston, não envolvido no trabalho de Mischel e sua equipe.

Para encontrar quais genes foram encontrados no ecDNA, Mischel e colegas realizaram o sequenciamento do genoma completo nas linhas celulares tumorais e então usaram sondas DNA FISH para localizar os oncogenes mais comumente amplificados, descobrindo que o ecDNA sempre abrigava os oncogenes mais comumente amplificados associados com aquele tipo de tumor. Assim, pelo sequenciamento dos genomas da célula tumoral e através da aplicação de uma ferramenta de sondagem molecular chamada hibridização fluorescente in situ, os pesquisadores encontraram genes normalmente associados com os tipos de tumores codificados no ecDNA.

Diferentemente do DNA cromossômico e do mitocondrial, o ecDNA não é reproduzido pelas regras usuais de distribuição quando a célula-mãe se reproduz. Células filhas podem colher um monte deles, partilhar alguns, ou herdar quase nenhum.

“Vimos que todos os oncogenes foram amplificados ou totalmente no ecDNA ou simultaneamente no ecDNA e no cromossomo, mas não na localização cromossômica normal do gene, sugerindo que estas [repetições oncogênicas] podem ser bastante móveis”, disse Mischel. A equipe mostrou que esse realmente é o caso usando um exemplo: a descendência de uma célula de glioblastoma expressando um número de cópias elevado de um gene EGFR mutado tinha os genes de EGFR se movendo de ecDNA circular para regiões cromossômicas.

Co-liderado pelo cientista da computação Vineet Bafna, um modelo foi usado para simular como formas de ecDNA poderiam se espalhar através da replicação de células cancerosas. Ao distribuir os seus oncogenes de forma desigual, o tumor torna-se um misto de diversos tipos de células. Células com as combinações corretas de genes têm uma maior chance de resistir à barragem de toxinas usadas na quimioterapia para derrubar tumores de crescimento rápido. Ter todas as células com as mesmas combinações de genes é como comprar uma centena de bilhetes de loteria, sendo todos com os mesmos números.

Metafase de cromossomas (azul) e ecDNA codificando EGFR (vermelho) a partir de uma linha celular de glioblastoma. KRISTEN TURNER, UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO
Metafase de cromossomas (azul) e ecDNA codificando EGFR (vermelho) a partir de uma linha celular de glioblastoma. Crédito: Kristen Turner, Universidade da Califórnia, San Diego.

Assim, a equipe seguinte, liderada por Bafna, usou o modelo computacional para simular como ecDNA se tornam segregados entre as células filhas. Porque o ecDNA não contém um centrômero — necessário para a ligação ao eixo da metafase e a segregação igual — o ecDNA são segregados aleatoriamente, resultando em algumas células com muitas cópias e alguns com nenhuma. As simulações sugeriram que a segregação desigual de ecDNA durante a divisão celular resultou numa gama de células contendo números baixos a elevados de fragmentos de ecDNA. O modelo mostrou que esta vasta gama de distribuição contribuiu para a heterogeneidade das células que compõem um tumor. “Descobrimos que se um oncogene esteve no ecDNA, ele poderia muito mais rapidamente alcançar níveis elevados e que esses níveis elevados seriam mantidos muito por mais tempo do que se estivesse apenas no cromossomo”, explicou Mischel à The Scientist.

“As implicações são que estes fragmentos do ecDNA serão de longe os menos estáveis através das populações tumoral do que as amplificações cromossômicas e contribui à diversidade intercelular e à evolução dramaticamente,” Swanton escreveu.

A maioria das pesquisas atualmente realizadas em oncogenes associados à resistência não irão captar sequências escondidas no ecDNA. Conhecer o papel que esses laços escondidos do DNA desempenham na evolução de um câncer pode nos proporcionar melhores caminhos para criar ferramentas de diagnósticos e de prognósticos eficazes. O próximo passo para Mischel e sua equipe é identificar os mecanismos que os tumores usam para fazer e manter suas cópias de ecDNA. Com as drogas certas, talvez possamos, pelo menos, forçar esses cânceres a lutar de forma justa.

“As próximas perguntas são como o ecDNA se comporta dentro de tumores de pacientes e como isso se correlaciona com fenótipos clínicos. Estudos longitudinais de cânceres durante o curso de doença serão necessários para determinar exatamente quão flexível este processo poderia ser”, observou Swanton.

“Uma questão que este estudo levanta é como os ecDNA’s surgem em tumores em primeiro lugar e como a biologia de tumores com amplificações de oncogene em ecDNA difere de oncogenes em DNA cromossômico”, disse Beroukhim.

“A equipe está agora observando a dinâmica de manutenção de ecDNA em várias divisões de células em cultura”, disse Mischel. “Nós pensamos que este [ecDNA] é um aspecto importante de como os cânceres evoluem.”

O estudo foi publicado na Nature.

Referências:

  1. Paper: TURNER, Kristen M. et al, “Extrachromosomal oncogene amplification drives tumour evolution and genetic heterogeneity”, Nature (2017), doi:10.1038/nature21356; <http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/fig_tab/nature21356_F1.html>
  2. Site: The Scientist: “Non-Chromosomal DNA Drives Tumor Evolution”, acesso em 21 de fevereiro de 2017.