¿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”.

Figura 1: Los genes
supresores de tumores
normalmente funcionan para
prevenir el crecimiento y la
división celular. Para
conducir a un cáncer, ambas
copias del gen deberían
haber mutado (señalado en
rojo).Haga clic sobre la
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Imagen cortesía de the
Wellcome Trust Sanger
Institute Communication and
Public Engagement team

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.

Figura 2: Los protooncogens
normalmente funcionan para
estimular el crecimiento y
división celular de forma
controlada. Una mutación en
una copia del gen (señalado
en rojo) puede ser suficiente
para producir el desarrollo
del cáncer. Haga clic sobre la
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Imagen cortesía de the
Wellcome Trust Sanger
Institute Communication and
Public Engagement team

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 Projectw1 (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 Sangerw2, la actividad se puso a disposición del público a través de la web Yourgenome.orgw3. Recientemente formó parte del primer curso de bioinformática para profesores europeos impartido por ELLSw4 en el Instituto Europeo de Bioinformática (European Bioinformatics Institutew5 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

Figura 3: Hoja del gen KRAS.
Haga clic sobre la imagen
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Imagen cortesía de the
Wellcome Trust Sanger
Institute Communication and
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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 comprimidow6.

Figura 4: Usar la rueda de
codones para traducir los
codones de ADN a
aminoácidos. Para decodificar
un codón busca la primera
letra de tu secuencia en el
círculo interior y muévete
hacia afuera para ver el
aminoácido corrrespondiente.
Por ejemplo, CAT codifica la
H (histidina). Hay que tener
en cuenta que en este
diagrama se usa la dirección
de los codones de ADN (5`-
3`). Haga clic sobre la
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Imagen cortesía de C
Brooksbank, European
Bioinformatics Institute
  • 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.
Figura 5: el ARN mensajero
es sintetizado a partir de la
cadena 3`-5` del ADN. La
cadena 5`- 3`, usada en esta
actividad, tiene la misma
secuencia que la
correspondiente cadena de
ARN mensajero, salvo que la
T es sustituida por la U. Haga
clic sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de Cleopatra
Kozlowski
  • 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 profesorw6 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 KRASw6.

Introducción a la actividad

Figura 6: Ejemplo de una
ficha de estudiante. Haga clic
sobre la imagen para
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Imagen cortesía de the
Wellcome Trust Sanger
Institute Communication and
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La presentación Investigando el Cáncer (disponible onlinew6) 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 presentaciónw6).

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

Figura 7: Identificando
mutaciones en la secuencia.
Haga clic sobre la imagen
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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.

Figura 9: Poniendo las
marcas de visto bueno en la
regiones que se han revisado
, y marcando cualquier
mutación

Imagen cortesía de the
Wellcome Trust Sanger
Institute Communication and
Public Engagement team
Figure 8: A heterozygous
mutation. Haga clic sobre la
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Imágenes cortesía de the
Wellcome Trust Sanger
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Public Engagement team

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:

Número del aminoácido Secuencia del ADN de la célula sana Secuencia del ADN de la célula tumoral Aminoácido de la célula sana Aminoácido de la célula tumoral
Tabla 1: Las mutaciones tal como aparecen en las fichas individuales
12 GGT GTT Glicina (G) Valina (V)

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

Número del aminoácido Secuencia del ADN de la célula sana Secuencia del ADN de la célula tumoral Aminoácidos de la célula sana Aminoácidos de la célula tumoral
Tabla 2: La mutaciones tal como se recogen en la hoja resumen de datos
12 GGT GTT G (glicina) V (valina)
13 GGC GAC G (glicina) D (ácido aspártico)
30 GAC GAT D (ácido aspártico) D (ácido aspártico)
61 CAA CGA Q (glutamina) R (arginina)
146 GCA CCA A (alanina) P (prolina)
173 GAT GAC D (ácido aspártico) D (ácido aspártico)

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.

Número de aminoácido Secuencia del ADN de la célula sana Secuencia del ADN de la célula tumoral Aminoácido de la célula sana

Aminoácido de la célula tumoral

Tipo de mutación

Significativa sí/no

Tabla 3: Tipos de mutaciones tal como se recogen en la hoja resumen de datos
12 GGT GTT G (glicina) V (valina)

Puntual (de sentido equivocado)

13 GGC GAC G (glicina) D (ácido aspártico)

Puntual (de sentido equivocado)

30 GAC GAT D (ácido aspártico) D (ácido aspártico)

Puntual (silencionsa)

No
61 CAA CGA Q (glutamina) R (arginina)

Puntual (de sentido equivocado)

146 GCA CCA A (alanina) P (prolina)

Puntual (de sentido equivocado)

173 GAT GAC D (ácido aspártico) D (ácido aspártico)

Puntual (silencionsa)

No
Figura 10: Representación en
tres dimensiones de la
proteína KRAS. Los
aminoácidos 12 (azul), 13
(amarillo), 61 (naranja) y 146
(rosa) son los que llevan
mutaciones

Imagen cortesía de the
Wellcome Trust Sanger
Institute Communication and
Public Engagement team,
created with RasMol

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 profesorw6.

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

Los apuntes para el profesorw6 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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Web References

  • w1 – Aprenda más sobre el Proyecto Genoma del Cáncer ( Cancer Genome Project) en el Instituto Wellcome Trust Sanger: www.sanger.ac.uk/genetics/CGP
  • w2 – Para aprender más acerca del Instituto Wellcome Trust Sanger ( Wellcome Trust Sanger Institute) en Hinxton, Reino Unido, líder en el Proyecto Genoma Humano, visite: www.sanger.ac.uk
    • El instituto ofrece visitas para los colegios, profesores y para el público en general, así como apoyo para el profesorado y más oportunidades de involucrarse. Visite: www.sanger.ac.uk/about/engagement
  • w3 – La web Tugenoma.org (Yourgenome.org) fue puesta en marcha por el Instituto Sanger para estimular el interés y la discusión sobre la investigación genética. Incluye una sección de recursos variados y bien desarrollados para profesores, incluyendo la actividad presentada en el este artículo. Visite: www.yourgenome.org
  • w4 – El Laboratorio Europeo de Aprendizaje de las Ciencias de la Vida (European Learning Laboratory for the Life Sciences (ELLS)) en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular ( European Molecular Biology Laboratory) suministra cursos de formación continua (LearningLABs) en biología molecular para profesores europeos de ciencias en institutos de secundaria. En marzo de 2010, ELLS lleva a cabo el primer Laboratorio de aprendizaje de bioinformática ( bioinformatics LearningLAB) para profesores en el Instituto Europeo de Bioinformática ( European Bioinformatics Institute) en el Reino Unido. Para información sobre los cursos ELLS, visite por favor: www.embl.org/ells
  • w5 – Para saber más del Instituto Europeo de Bioinformática ( European Bioinformatics Institute), visite: www.ebi.ac.uk
  • w6 – Para descargarse todos los materiales para la actividad del KRAS y para más información de base, visite: www.yourgenome.org/teachers/kras.shtml

Resources

Páginas web de referencia y discusión para los alumnos

  • La web de Investigación del Cáncer Reino Unido ( Cancer Research UK) ofrece información accesible sobre los principales cánceres y las investigaciones actuales http://info.cancerresearchuk.org/cancerandresearch
  • La web New Scientist tiene una sección centrada en el cáncer, donde publica los artículos más recientes sobre el desarrollo en la investigación del cáncer y con imágenes interactivas mostrando las funciones de los fármacos diana www.newscientist.com/topic/cancer
  • Nature Milestones in Cancer ofrece una colección de artículos tipo reseña seleccionados y una librería online de artículos recientes de investigación del grupo Nature Publishing Group, disponibles para descargarse como PDF. También tiene una línea del tiempo que muestra los hitos más importantes en la investigación del cáncer www.nature.com/milestones/milecancer
  • La web multimedia Dentro del Cáncer (Inside Cancer ) creada por el Centro de Aprendizaje sobre el ADN ( DNA Learning Center) ofrece una guía multimedia sobre la biología del cáncer, su diagnóstico y su tratamiento www.insidecancer.org

Artículos recientes de noticias

  • La web de la cadena de noticias BBC ha publicado un interesante artículo sobre cómo los “puntos calientes” genéticos recientemente descubiertas para el cáncer de intestino podría ayudar a los médicos a tratar mejor la enfermedad. http://news.bbc.co.uk o use el enlace directo: http://tinyurl.com/28o7zgf
  • Sample I (2009) First cancer genome sequences reveal how mutations lead to disease. The Guardian. Visite www.guardian.co.uk o use el enlace directo: http://tinyurl.com/yeknj5x
  • Roberts M (2009) Scientists crack ‘entire genetic code’ of cancer. BBC News. See http://news.bbc.co.uk o use el enlace directo: http://tinyurl.com/yb59qcz
  • Este artículo incluye un vídeo con una entrevista al profesor Mike Stratton, líder del Proyecto Genoma del Cáncer (Cancer Genome Project).

Más lecturas

  • 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
    • La versión del autor de este trabajo se puede ver gratuitamente online. Visite www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc o use el enlace directo: http://tinyurl.com/3x5hah6

    • Para un catálogo completo de los genes somáticos del cáncer (COSMIC) descritos en el trabajo anterior y creado por el Proyecto Genoma del Cáncer (Cancer Genome Project), visite: www.sanger.ac.uk

  • Stratton MR, Campbell PJ, Futreal AP (2009) The cancer genome. Nature 458: 719-724. doi: 10.1038/nature07943
  • Descarga el artículo gratis aquí, o suscríbete a Nature: www.nature.com/subscribe
  • Para más información sobre cómo las mutaciones genéticas causan enfermedades, vea:
  • Patterson L (2009) Nuevas piezas para entender el puzzle de las enfermedades genéticas. Science in School 13: 53-58. www.scienceinschool.org/2009/issue13/insight/spanish
  • Para una entrevista con el investigador sobre el cáncer Joan Massagué , vea:
  • Sherwood S (2008) Tras la pista de una cura para el cáncer. Science in School 8: 56-59. www.scienceinschool.org/2008/issue8/joanmassague/spanish
  • Para una actividad en clase para discutir los problemas éticos de conocer qué te deparan tus genes, incluyendo la posibilidad de un cáncer, vea:
  • Strieth L et al. (2008) Conoce la Máquina del Gen: estimulando discusiones bioéticas en el colégio. Science in School 9: 34-38. www.scienceinschool.org/2008/issue9/genemachine/spanish

Author(s)

The Wellcome Trust Sanger Institute Communication and Public Engagement programme comunica la naturaleza, los descubrimientos y las maravillas de la ciencia y sus implicaciones para los individuos y la sociedad. Trata de hacer las complejas investigaciones en biomedicina accesibles para una amplia variedad de público, incluyendo a los estudiantes de institutos y a sus profesores, a través de un programa de visitas, un abanico de colaboraciones y la web Yourgenome.orgw3. Para más información sobre el programa, visite: www.sanger.ac.uk/about/engagement; para contactar con el equio, escriba a pubengage@sanger.ac.uk.


Review

Las actividades de enseñanza descritas en este artículo persiguen involucrar activamente a los estudiantes avanzados de secundaria de biología en la búsqueda de mutaciones que pudieran potencialmente conducir al desarrollo de un cáncer, usando datos genómicos reales. El procedimiento no es estrictamente experimental, por lo que no se necesitan instrumentos de laboratorio. En cambio, la búsqueda es teórica, basada en datos reales. Todos los materiales necesarios para llevar a cabo la actividad así como todas la indicaciones detalladas se pueden descargar gratuitamente de la web del programa.

Además de describir los distintos pasos de la actividad, el artículo y la web en la que se apoya, incluyen información importante sobre qué es el cáncer, qué lo causa, cómo se desarrolla y como la información genómica puede ser útil para desarrollar tratamientos. Además, se sugieren varios puntos de discusión para mejorar el entendimiento de los alumnos sobre el cáncer.


Michalis Hadjimarcou, Chipre




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CC-BY-NC-SA