Los metabolitos tumorales dificultan la reparación del ADN

El metabolismo alterado y la inestabilidad del genoma son características del cáncer. Un mecanismo ahora explica cómo tres pequeñas moléculas que se acumulan en los tumores conectan el metabolismo anormal con los problemas genómicos al dificultar la reparación del ADN.

Por Lei-Lei Chen & Yue Xiong

Hacia fines del siglo XIX, las anomalías cromosómicas detectadas bajo el microscopio óptico revelaron que en ciertos tipos de cáncer se produce un tipo de inestabilidad genómica masiva que resulta en un número anormal de cromosomas. No mucho después, el bioquímico Otto Warburg observó que las células tumorales tienden a utilizar vías de glucosa y metabolismo energético que son distintas de las utilizadas por las células normales. Ahora sabemos que la inestabilidad del genoma y el metabolismo alterado son dos características comunes de la mayoría de las células tumorales. La inestabilidad del genoma ha sido investigada continuamente desde su descubrimiento; El metabolismo alterado fue redescubierto recientemente como un área de investigación. Pero hasta ahora no se ha informado mucha diafonía entre estos dos procesos en el cáncer. Writing in Nature , Sulkowski et al.1 revela cómo varios metabolitos que se acumulan a niveles altos en las células tumorales suprimen la reparación del ADN, revelando así un vínculo directo entre el metabolismo alterado y la inestabilidad del genoma causada por el daño del ADN.

Las mutaciones dirigidas a los genes que codifican las enzimas isocitrato deshidrogenasa 1 y 2 (IDH1 e IDH2) provocan que las células acumulen altos niveles del metabolito 2-hidroxiglutarato (2-HG). Las mutaciones en los genes que codifican las enzimas fumarato hidratasa y succinato deshidrogenasa hacen que las células acumulen altos niveles de las moléculas fumarato y succinato, respectivamente. Estas tres moléculas pequeñas a menudo se denominan oncometabolitos porque su acumulación estimula el desarrollo tumoral 2 , 3 , y son estructuralmente similares a la molécula α-cetoglutarato (α-KG). Este es un intermedio en la ruta del ciclo de Krebs que también sirve como un componente, llamado co-sustrato, necesario para la función de una familia de enzimas llamadas dioxigenasas dependientes de α-KG / Fe (II).

Esta familia de enzimas, que comprende 65 miembros en humanos 4 , cataliza una amplia gama de reacciones de oxidación en proteínas, ADN, ARN y lípidos. En estas reacciones, α-KG se une al sitio activo de la enzima para ayudar a la catálisis. Sin embargo, el 2-HG, el succinato y el fumarato pueden competir con el α-KG para unirse a este sitio catalítico y así inhibir estas enzimas. Una de estas enzimas es la lisina histona desmetilasa (KDM), que modifica la cromatina, el complejo de ADN y proteínas de los que se forman los cromosomas 5 – 7 .

Dos KDM estrechamente relacionados, llamados KDM4A y KDM4B, catalizan la eliminación de un grupo metilo (desmetilación) de un residuo de aminoácido lisina (denominado K9) en las proteínas de la histona 3 (H3) que se unen al ADN en la cromatina. La metilación de H3K9 está vinculada a una vía llamada vía de reparación dependiente de la homología (HDR), que repara las roturas de doble cadena (DSB) en el ADN 8 . Los DSB son el tipo más peligroso de daño en el ADN. Si no se reparan, pueden causar la ruptura de los cromosomas y la inestabilidad genómica que podrían promover el crecimiento tumoral o provocar la muerte celular.

Sulkowski y sus colegas investigaron la HDR en células cancerosas humanas cultivadas in vitro . Descubrieron que, en un sitio DSB, la adición local de tres grupos metilo a H3K9 para generar residuos de H3K9me3 trimetilados tiene un papel clave en el inicio de HDR. En las células tumorales que tienen mutaciones en los genes que codifican IDH1, IDH2, fumarato hidratasa o succinato deshidrogenasa, los autores informan que altos niveles de oncometabolitos inhiben KDM4B. Esta inhibición de la desmetilación da como resultado una hipermetilación generalizada de H3K9 que enmascara la apariencia local específica de las marcas de H3K9me3 y dificulta el reclutamiento de los factores necesarios para la reparación de HDR y DSB (Fig. 1).

Figura 1 | Cómo las moléculas en las células cancerosas inhiben la reparación del daño del ADN.a , el ADN se envuelve alrededor de las proteínas histonas para formar una estructura llamada nucleosoma. En las células normales, la enzima KDM4B cataliza la eliminación de grupos metilo del residuo de aminoácido lisina 9 (K9) de la proteína histona 3 (H3) en el nucleosoma. Esta actividad de desmetilación de H3K9 requiere la molécula pequeña α-cetoglutarato (α-KG). Si se produce una ruptura de doble cadena en el ADN, H3K9 se metila en el sitio del daño y esta señal de metilación local recluta factores de reparación del ADN que incluyen las proteínas Tip60 y ATM. Estos reparan el daño a través de un proceso llamado reparación dependiente de la homología. siComo resultado de ciertas mutaciones, algunas células cancerosas acumulan pequeñas moléculas denominadas oncometabolitos que promueven el crecimiento tumoral. Sulkowski y col . 1 han revelado un mecanismo que subyace a este fenómeno. Los oncometabolitos compiten con α-KG por unirse a KDM4B y por lo tanto inhiben la función de la enzima. Esto da como resultado la metilación de H3K9 en todo el genoma. Esta hipermetilación global enmascara un pico local en la metilación de H3K9 que ocurre después del daño del ADN y dificulta el reclutamiento de factores de reparación del ADN. El daño irreparable del ADN puede conducir a la inestabilidad del genoma y, por lo tanto, impulsar el crecimiento tumoral.

El hallazgo clínico sugirió previamente un vínculo entre los oncometabolitos y los defectos de reparación del ADN de que las personas que tienen un tipo de cáncer llamado glioma con mutaciones en los genes IDH1 o IDH2 se beneficiaron de una combinación de quimioterapia y radioterapia, que inducen daño en el ADN. 9 . Ese hallazgo indica que los tumores que acumulan altos niveles de oncometabolitos son vulnerables a la terapia que causa daño al ADN. Además, un análisis genómico de diferentes tipos de cáncer clasificó a IDH1 como el quinto gen humano mutado con mayor frecuencia que está conectado a la reparación del ADN 10 .

Se han propuesto previamente dos mecanismos para explicar cómo el 2-HG que se acumula cuando IDH1 o IDH2 están mutados causa defectos en la reparación del ADN. Una idea es que 2-HG inhibe directamente las enzimas ALKBH2 y ALKBH3, que reparan el daño del ADN de cadena sencilla inducida por metilación 11 . Otra sugerencia es que el 2-HG inhibe las desmetilasas H3K9 y, por lo tanto, provoca una reducción en la expresión de ATM, una proteína clave necesaria para la reparación del ADN 12 .

Sulkowski y sus colegas habían encontrado previamente que los oncometabolitos suprimían la vía HDR y habían identificado a KDM4A y KDM4B como importantes para la reparación de DSB 11 . Por lo tanto, los autores exploraron posibles conexiones entre estos procesos. HDR es un evento complejo que involucra el reclutamiento secuencial de múltiples factores de reparación a sitios DSB, con la proteína Tip60 entre las primeras en llegar a la región dañada 8 . Sulkowski y col . utilizó un sistema en el cual las células humanas cultivadas in vitro fueron diseñadas para permitir el inicio preciso de DSB y el monitoreo del proceso de reparación.

Los autores encontraron que en las células de control que no tenían altos niveles de oncometabolitos, se produjo un aumento rápido de las modificaciones de H3K9me3 localmente en la cromatina en las proximidades del DSB dentro de los 30 minutos posteriores a la inducción del DSB. Esto fue seguido por el reclutamiento coordinado de los factores necesarios para HDR. Sin embargo, en las células cancerosas con altos niveles de oncometabolitos, H3K9me3 se elevó en todo el genoma antes de la inducción de DSB, y el posterior reclutamiento de los factores necesarios para HDR se vio sustancialmente afectado en comparación con el de las células de control. Estos defectos en el reclutamiento del factor de reparación podrían prevenirse eliminando la versión mutante de IDH1o por tratamiento con un inhibidor farmacológico de la proteína IDH1 mutante para bloquear la producción de 2-HG. Estos resultados establecen una relación causal entre la presencia de oncometabolitos y la reparación deteriorada de DSB.

¿Cómo podría la inhibición de KDM4B por los oncometabolitos dañar la HDR? La metilación local de H3K9 activa Tip60, que a su vez activa ATM, una enzima clave necesaria para HDR. Los resultados de una serie de experimentos apoyan el modelo de los autores de que un aumento repentino en las modificaciones de H3K9me3 en un sitio DSB sirve como una señal clave para reclutar factores de reparación. El bloqueo de la acumulación de oncometabolitos, la adición de α-KG o las células de ingeniería para expresar KDM4A o KDM4B (pero no otros KDM o ALKBH2 o ALKBH3), dieron como resultado una disminución en las modificaciones genómicas globales de H3K9me3 y restauraron tanto el reclutamiento de factores de reparación como la reparación de DSB en un sitio diseñado para dañar el ADN, en comparación con los efectos observados en las células que no recibieron dicho tratamiento.

Los hallazgos de Sulkowski y sus colegas amplían los roles conocidos de los oncometabolitos y plantean varias preguntas interesantes. ¿Cómo el rápido aumento en H3K9me3 en un sitio DSB resulta en el reclutamiento coordinado de proteínas de reparación, y qué factor (es) podría reconocer tal modificación de un sitio DSB? Alrededor del sitio DSB, ¿la hipermetilación de H3K9, que se sabe que recluta factores represivos que impulsan la formación de una forma condensada de cromatina llamada heterocromatina, previene la unión de factores necesarios para HDR? También quedan preguntas sobre si los roles de KDM4A y KDM4B difieren en HDR. Ambas enzimas catalizan el mismo tipo de desmetilación de H3K9, y aumentar su expresión puede superar la inhibición de los oncometabolitos y prevenir defectos de HDR. Sin embargo, los autores informan que el agotamiento solo de KDM4B afecta la HDR.

La enzima PARP promueve la reparación de roturas de ADN de cadena sencilla, y los inhibidores que bloquean la PARP se usan para tratar ciertos tipos de cáncer. Las células tumorales que producen 2-HG son particularmente propensas a la muerte si se tratan con inhibidores de PARP 11 . Los hallazgos de Sulkowski et al . podría conducir a nuevas estrategias terapéuticas que exploten las oportunidades terapéuticas que surgen de la acumulación de oncometabolitos, dado que ahora tenemos una imagen más clara de cómo esas células cancerosas son vulnerables si los procesos de reparación del ADN están dirigidos.

 

Referencias:

1. Sulkowski, P. L. et al. Nature https://doi.org/10.1038/
s41586-020-2363-0 (2020).
2. King, A., Selak, M. A. & Gottlieb, E. Oncogene 25,
4675–4682 (2006).
3. Ye, D., Guan, K.-L. & Xiong, Y. Trends Cancer 4, 151–165
(2018).
4. Rose, N. R., McDonough, M. A., King, O. N. F.,
Kawamura, A. & Schofield, C. J. Chem. Soc. Rev. 40,
4364–4397 (2011).
5. Chowdhury, R. et al. EMBO Rep. 12, 463–469 (2011).
6. Xu, W. et al. Cancer Cell 19, 17–30 (2011).
7. Xiao, M. et al. Genes Dev. 26, 1326–1338 (2012).
8. Sun, Y. et al. Nature Cell Biol. 11, 1376–1382 (2009).
9. Cairncross, J. G. et al. J. Clin. Oncol. 32, 783–790 (2014).
10. Knijnenburg, T. A. et al. Cell Rep. 23, 239–254.e6 (2018).
11. Sulkowski, P. L. et al. Sci. Transl. Med. 9, eaal2463 (2017).
12. Inoue, S. et al. Cancer Cell 30, 337–348 (2016).

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