Tradus de Nadia Bucurenci

Pentru imagine, multumim C Brooksbank, European Bioinformatics Institute

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 la altele din aceeaşi categorie. 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.

Figura 1: Genele supresoare tumorale acţionează, în mod normal, pentru împiedicarea creşterii şi diviziunii celulare. Pentru a ajunge la cancer, trebuie ca ambele copii ale genei să sufere mutaţii (marcate cu roşu). Clicați pe imagine pentru a o mări Pentru imagine, multumim the Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement team

Figura 2: Proto-oncogenele acţionează, în mod normal, pentru stimularea creşterii şi diviziunii celulare controlate. O mutaţie în una dintre copiile genei (marcată cu roşu) poate fi suficientă pentru a conduce la dezvoltarea cancerului. Clicați pe imagine pentru a o mări Pentru imagine, multumim the Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement team

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 zipw6. 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 profesoruluiw6 (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 KRASw6.

Figura 3: The KRAS gene Sheet. Clicați pe imagine pentru a o mări Pentru imagine, multumim the Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement team Figura 4: Folosiţi roata codonilor ca să traduceţi codonii ADN în aminoacizi. Pentru a decodifica un codon căutaţi prima literă a secvenţei în cercul interior şi mergeţi spre exterior pentru a găsi aminoacidul corespunzător. De exemplu, CAT codifica H (histidina). Notaţi că această diagramă foloseşte codoni pentru catena ADN de referinţă (5’→3’). Clicați pe imagine pentru a o mări Pentru imagine, multumim C Brooksbank, European Bioinformatics Institute Figura 5: ARNm este sintetizat după catena antisens a ADN. Catena ADN de referinţă (”sense”), folosită pentru această activitate, are aceeaşi secvenţă ca lanţul ARNm corespunzător, cu singura deosebire că T este înlocuit cu U. Clicați pe imagine pentru a o mări Pentru imagine, multumim Cleopatra Kozlowski

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).

Figura 6: Exemplu de fișă. Clicați pe imagine pentru a o mări Pentru imagine, multumim the Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement team

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.

Figura 7: Identificarea mutaţiilor în secvenţe. Clicați pe imagine pentru a o mări Figura 8: O mutaţie heterozigotă. Clicați pe imagine pentru a o mări Pentru imagine, multumim the Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement team

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.

Figura 9: Marcarea genelor care au fost verificate și notarea mutațiilor Pentru imagine, multumim the Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement team

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:

Tabel 1: Mutațiile conform fișelor de lucru individuale

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

Tabel 2: Mutații înregistrate pe fișa de sinteză

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.

Tabel 3: Tipul mutației, așa cum a fost înregistrată pe fișa de sinteză

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 notesw6 for details.

Figura 10: O reprezentare 3D a proteinei KRAS. Aminoacizii supuşi mutaţiilor sunt 12 (albastru), 13 (galben), 61 (portocaliu) şi 146 (roz) Pentru imagine, multumim the Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement team, creată cu RasMol

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?

Referințe in web

w1 – Mai multe despre Proiectul Genomul Cancerului la Wellcome Trust Sanger Institute: www.sanger.ac.uk/genetics/CGP

w2 – Pentru a afla mai multe despre Wellcome Trust Sanger Institute din Hinxton, Marea Britanie, lider în Proiectul Genomului Uman, vezi: www.sanger.ac.uk

Institutul propune vizite pentru grupuri de elevi, profesori şi publicul larg, sprijin pentru profesori şi alte posibilităţi de implicare. Vezi: www.sanger.ac.uk/about/engagement

w3 – Site-ul Yourgenome.org a fost lansat de Institutul Sanger pentru a stimula interesul şi discuţiile despre cercetarea genetică. El include o secţiune de resurse variate şi bine dezvoltate pentru profesori, inclusiv activitatea prezentată în acest articol. Vezi: www.yourgenome.org

w4 – Laboratorul European de Învăţare pentru Ştiinţele Vieţii (ELLS) de la Laboratorul European de Biologie Moleculară pune la dispoziţie cursuri de dezvoltare profesională continuă (LearningLABs) în biologie moleculară pentru profesorii de ştiinţe din ciclul gimnazial european. În martie 2010, ELLS a derulat primul LearningLAB în bioinformatică pentru profesori la Institutul European de Bioinformatica din Marea Britanie. Pentru informaţii despre cursurile ELLS, vă rugăm să accesaţi: www.embl.org/ells

w5 – Pentru a afla mai multe despre Institutul European de Bioinformatică, vezi: www.ebi.ac.uk

w6 – Pentru a descărca toate materialele pentru activitatea KRAS şi pentru mai multe informaţii generale, vezi: www.yourgenome.org/teachers/kras.shtml

Informatii adiționale

Site-uri web pentru informarea elevilor

Site-ul Cancer Research UK oferă informaţii accesibile despre toate tipurile majore de cancer şi despre cercetările în curs. Vezi: http://info.cancerresearchuk.org/cancerandresearch

Site-ul New Scientist are o secţiune focalizată pe cancer, care prezintă ultimele articole despre evoluţia cercetărilor în cancer şi desene animate interactive care demonstrează modul de acţiune al medicamentelor anti cancer dirijate. Vezi: www.newscientist.com/topic/cancer

Nature Milestones in Cancer oferă o colecţie de articole de tip recenzie şi o bibliotecă online de articole ştiinţifice publicate recent de Nature Publishing Group, care pot fi descărcate în format PDF. Este disponibilă şi o trecere în revistă a cancerului care prezintă etapele majore în cercetarea cancerului. Vezi: www.nature.com/milestones/milecancer

Site-ul multimedia Inside Cancer, creat de DNA Learning Center oferă un ghid multimedia pentru biologia, diagnosticul şi tratamentul cancerului. Vezi: www.insidecancer.org

Articole cu ştiri recente

Site-ul BBC News a publicat un articol interesant despre cum pot fi utilizați nou descoperiții markeri genetici pentru cancerul colorectal pentru îmbunătățirea tratamentului bolii. Vezi: http://news.bbc.co.uk sau direct: http://tinyurl.com/28o7zgf

Sample I (2009) First cancer genome sequences reveal how mutations lead to disease. The Guardian. Vezi www.guardian.co.uk sau direct: http://tinyurl.com/yeknj5x

Roberts M (2009) Scientists crack ‘entire genetic code’ of cancer. BBC News. Vezi http://news.bbc.co.uk sau direct: http://tinyurl.com/yb59qcz

Articolul include un interviu video cu profesorul Mike Stratton, liderul Proiectului Genomul Cancerului.

Lecturi suplimentare

Friday BB, Adjei AA (2005) K-ras as a target for cancer therapy. Biochimica et Biophysica Acta – Reviews on Cancer 1756(2): 127-144. doi: 10.1016/j.bbcan.2005.08.001

Futreal A et al. (2004) A census of human cancer genes. Nature Reviews Cancer 4: 177-183. doi: 10.1038/nrc1299

Articolul, în versiunea autorului, poate fi văzut gratuit online. Vezi: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc sau direct: http://tinyurl.com/3x5hah6

Pentru un catalog complet al genelor cancerului somatic (COSMIC) descrise în lucrarea de mai sus și obținute prin Proiectul Genomul Cancerului, vezi: www.sanger.ac.uk

Stratton MR, Campbell PJ, Futreal AP (2009) The cancer genome. Nature 458: 719-724. doi: 10.1038/nature07943

Descărcați articolul gratuit de aici, sau abonați-vă la Nature astăzi: www.nature.com/subscribe

Pentru mai multe informații despre cum mutațiile genetice pot provoca boli, vezi:

Patterson L (2009) Getting a grip on genetic diseases. Science in School 13: 53-58. www.scienceinschool.org/2009/issue13/insight

Pentru un interviu cu Joan Massagué, cercetător în cancer, vezi:

Sherwood S (2008) On the trail of a cure of cancer. Science in School 8: 56-59. www.scienceinschool.org/2008/issue8/joanmassague

Pentru o activitate didactică în clasă de dezbatere a problemelor etice pe care le implică cunoaşterea a ceea ce ne rezervă propriile gene, inclusiv eventualitatea de a face cancer, vezi:

Strieth L et al. (2008) Meet the Gene Machine: stimulating bioethical discussions at school. Science in School 9: 34-38. www.scienceinschool.org/2008/issue9/genemachine

Dacă v-a plăcut acest articol, de ce nu aruncaţi o privire şi pe alte articole legate de medicină publicate anterior în Science in School? Vezi: www.scienceinschool.org/medicine

Programul Communication and Public Engagement de la Wellcome Trust Sanger Institute comunică natura, descoperirile şi minunile ştiinţei precum şi implicaţiile ei pentru indivizi şi societate. El încearcă să facă cercetările biomedicale complexe accesibile unei audienţe largi, inclusiv studenţi şi profesori, printr-un program de vizitare, o gamă largă de colaborări şi site-ul Yourgenome.org website^w3. Pentru mai multe informaţii despre program, vezi: www.sanger.ac.uk/about/engagement; pentru a contacta echipa, trimite email la pubengage@sanger.ac.uk.

Recenzie

Activităţile didactice descrise în acest articol au ca scop implicarea activă a elevilor care studiază biologia la liceu în căutarea mutaţiilor care pot conduce, potenţial, la dezvoltarea cancerului, folosind date genomice reale. Procedura nu este chiar un experiment real, deci nu sunt necesare instrumente de laborator. Căutarea este una teoretică, dar foloseşte date autentice. Toate materialele necesare pentru derularea activităţii împreună cu instrucţiuni detaliate pot fi descărcate de pe site-ul programului.

În afară de descrierea diferitelor etape ale activităţii, articolul şi site-ul ajutător cuprind informaţii importante despre ce este cancerul, care sunt cauzele lui, cum se dezvoltă şi cum pot fi folosite informaţiile genomice pentru descoperirea de noi tratamente. În plus, sunt sugerate mai multe subiecte de discuţie pentru a spori cunoştinţele despre cancer ale elevilor.

Michalis Hadjimarcou, Cipru

---

Recomandările referentului: Biologie, Medicină, Mutații, Cancer Vârsta: 15+