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Alterações Moleculares e Genéticas no Câncer de Pulmão – Genetic and Molecular Changes in Lung Cancer

17 de maio de 2010

PULMÕES- LUNGS

Alterações Moleculares e Genéticas no Câncer de Pulmão

Drª Ana Paula Dergham, Residente em Oncologia Clínica HC-UFPR– Curitiba-PR

Dr. Marcos Nascimento,Prof. PUCPR

Não falar em alteracoes geneticas quando se menciona cancer é retroceder no minimo 50 anos nos avanços da medicina e principalmente não compreender as vertentes do tratamento oncologico atual. E com o cancer de pulmao não é diferente. Sabe-se muito a respeito do fator causal tabagismo e a relaçao com o cancer de pulmao contudo a alteraçao celular causada pelo cigarro ocorre porque mecanismos geneticos e moleculares estao envolvidos. O acumulo de anormalidades geneticas influencia no processo de invasao, metastases e resistencia a terapia. Compreender toda esta estrutura torna-se de fundamental importância visto que a descoberta precoce de alterações genéticas poderá contribuir alem do maior entendimento da doença para terapias gênicas futuras, proporcionar diagnósticos cada vez mais precoces e tratamentos mais imediatos buscando alvos de terapia molecular com menor toxicidade e maiores chances de cura.

Devido ao fato de se compreender muito bem que o tabagismo é o principal fator causal do câncer de pulmão, diferente da dificuldade encontrada em outros tipos de neoplasias malignas, o processo de alteração do epitélio brônquico normal ate a malignidade tem apresentado importantes progressos. A sequencia de alterações morfológicas associadas com o tumor ao longo do tempo é melhor estabelecido no carcinoma de células escamosas.1 A sequencia de eventos vai desde a mucosa normal, hiperplasia de células basais, metaplasia escamosa, displasia escamosa, carcinoma in situ e carcinoma de células escamosas propriamente dito.

Este processo de maneira alguma caracteriza-se por ser estático. É vinculado por mecanismos moleculares subjacentes que norteiam todo o processo. A sequência de mudanças histológicas corresponde a progressão de anormalidades genéticas e epigeneticas determinadas pela perda do controle de crescimento celular normal. Este processo que caracteriza a carcinogenese tem sido observado nos últimos 25 anos de pesquisas e ocorre em todos os tipos histológicos de câncer de pulmão e incluem: perda de alelos, instabilidade de cromossomos, mutação de oncogenes e genes de supressão tumoral, silencio epigenetico promotor de hipermetilaçao, entre outros.

Diferentes marcadores moleculares tem sido identificados em mucosas  brônquicas biopsiadas de tabagistas e não tabagistas e que histologicamente são indistinguíveis. Por exemplo, mutações genéticas como a perda de um alelo em uma ou mais regiões cromossômicas foi observado mais frequentemente em epitélios não malignos de tabagistas do que aqueles que nunca fumaram.2

Tabagistas sem câncer de pulmão tem 35% de chance de promover hipermetilacao do p16.3.

Uma das mais precoces e consistentes anormalidades no câncer de pulmão é a perda ou inativação do material genético no braço curto do cromossomo 3 (3p).3,4 A perda do alelo no cromossomo 3p é  um evento frequentemente detectado em displasias bronquicas ou até mesmo em epitelios histologicos normais. Esta região é a localização de múltiplos genes de supressão tumoral, incluindo RARB (receptor beta do acido retinoico) no 3p24, RASSF1A (Ras associado ao domínio da família I) no 3p21.3 e que codifica a proteina requerida para a apoptose e FHIT (Fragile Histidine Triad) no gene 3p14.2. 5 A alteracao no cromossomo 3p corresponde ao terceiro evento genetico mais comum, fortemente associado ao tabagismo, ocorre em lesoes pre-neoplasicas  e é documentado em lavado bronquiolo alveolar, detectavel em 80% em No Small Cell Lung Cancer (NSCLC) como tambem em Small Cell Lung Cancer (SCLC). Esta regiao do cromossomo tem outros genes de supressao tumoral, incluindo o FHIT e o RASSF1A citados anteriormente.

A inativação do p16, que é um gene de supressão tumoral inibidor da ciclina D2,D4 e D6 e que perde expressão determinando fosforilaçao irregular da proteína Rb sendo incapaz de prevenir a progressão do ciclo celular e a divisão celular incontrolada, e ocorre por deleção genetica ou silencio epigenetico correspondendo a outra anormalidade bem fundamentada no cancer de pulmao.6,7 O p16 INK4A é importante na integridade/checkpoint da fase G1. Aproximadamente 40% dos tumores NSCLC perdem a atividade da P16INK4A.

A mutacao mais frequente é a do gene de supressao tumoral p53. Este     gene codifica a proteina p53 que é responsavel pela propriedade de antiproliferacao, em particular pelo estresse genotoxico. Esta alteracao ocorre em aproximadamente 50% do NSCLC e 70% SCLC. Ocorrem perdas no 1p,3p,6q,9p,11p,15p e 17p (locais no gene p53).

A segunda mutacao mais comum é a do gene do retinoblastoma (Rb1) 13q14, gene de supressao tumoral que codifica a proteina Rb , responsavel pela transicao da fase G1-S no ciclo celular. O mecanismo mais comum de inativacao é a perda da expressao do Rb1, silencio do INK4 e overexpressao do CCND1, o qual codifica a ciclina D1. Esses 3 genes ativos em sequencia sinalizam a cascata de controle do Rb e há uma constante correlacao inversa entre a perda da proteina do Rb, inativacao do p16 e superexpressao da ciclina D1. A perda da expressao da proteina do gene do Rb é detectavel em aproximadamente 80 a 100% dos tumores neuroendocrinos de alto grau. É ausente ou estruturalmente anormal em mais de 90% SCLC e 15 a 30% NSCLC.

As translocacoes são raras, exceto a t (15;19) que é bem documentada na literatura.8

A familia do gene RAS em particular o KRAS pode ser ativada quando há mutacoes nos codons 12,13 ou 61 em aproximadamente 20 a 30% NSCLC, com 90% da mutacao RAS nos adenocarcinomas de pulmao e em 85% mutacao do KRAS afetando o codon 12. Por outro lado, vale ressaltar que a mutacao do KRAS é rara em SCLC.

A epidemiologia molecular é o futuro?

É fato a rapidez evolutiva das mudancas da genetica molecular particularmente da genomica, proteomica e modelos animais de estudos transgenicos. Com tantos mecanismos geneticos estudados e a se descobrir, fica claro que a epidemiologia molecular fará parte da rotina de screening, diagnostico e tratamento do cancer de pulmao do mesmo modo que é fato a associacao dos carcinogenos do tabaco em fumantes e a susceptibilidade genetica em neoplasias malignas de pulmao.

Entre os hidrocarbonetos policiclicos aromaticos, o benzopireno é o mais extensamente testado e a tumorigenese relacionada a ele é bem descrita e o seu metabolito diol epoxide tem sido implicado como causa da mutacao no gene p53.9

Embora o tabagismo seja a causa de cancer de pulmao em 90% dos casos, a maioria dos tabagistas cronicos não desenvolvem cancer. Essa observação sugere que os individuos exibem variacoes de susceptibilidade genetica como polimorfismos, reparo do DNA e outros mecanismos de homeostase que determinam o risco individual de cancer de pulmao.

As bases do diagnostico devem corresponder a linhagem celular, as mutações patogênicas e a correlação clinica e não simplesmente a um diagnostico tardio através da identificação de uma massa pulmonar em um raio-x de torax. A deteccao de sequencias de DNA metilado em fluidos corporais como soro e especimes de lavado bronquiolo alveolar poderao ser utilizadas para predizer o desenvolvimento do cancer de pulmao. Quanto mais precoce o diagnostico e maior a compreensão das alterações moleculares envolvidas melhor beneficio e chances de cura com o tratamento. Portanto, aprimorar os metodos para aumentar a identificacao de lesoes pre neoplasicas atraves da identificacao molecular é o ponto inicial para terapias especificas baseadas no conhecimento dessas anormalidades geneticas. Alem do conhecido screening atraves do RX de torax, marcadores de identificacao de epidemiologia genetica, marcadores moleculares de prognosticos e alteracoes geneticas respiratorias reeditarao muitos livros de pneumologia e oncologia em um futuro proximo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. Saccomanno G, Archer VE, Auerbach O et al. Development of carcinoma of the lung as reflected in exfoliated cells. Cancer 33: 256-270,1974.
  2. Wistuba II, Behrens C, Virmani AK et al. Allelic Losses at chromosome 8p21-23 are early and frequent events in the pathogenesis of lung cancer. Cancer Res 59: 1973-1979,1999.
  3. Belinski SA, Palmisano WA, Gilliland FD et al. Aberrant promoter methylation in bronchial epithelium and sputum from current and former smokers. Cancer Res 62: 2370-2377,2002.
  4. Naylor SL, Johnson BE, Minna JD et al. Loss of heterozygosity of chromosome 3p markers in small-cell lung cancer. Nature 329: 451-454,1987.
  5. Sozzi G, Veronese ML, Negrini M et al. The FHIT gene 3p14.2 is abnormal in lung cancer. Cell 85:17-26,1996.
  6. Swafford DS, Middleton SK, Palmisano WA et al. Frequent aberrant methylation of p16INK4a in primary rat lung tumors. Mol Cell Biol 17:1366-1374, 1997
  7. Belinski SA, Nikula KJ, Palmisano WA et al. Aberrant methylation of p16INK4a is an early event in lunch cancer and a potencial biomarker for early diagnosis. Proc Natl Acad Sci USA 95:11891-11896,1998.

8.  Yang L, Parkin DM, Ferlay J, Li L, Chen Y. Estimates of cancer      incidence in China for 2000 and projections for 2005. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 2005;14(1):243

9. Hwang SJ, Cheng LS, Lozano G, et al. Lung cancer risk in germline p53  mutation carriers: association between an inherited cancer predisposition, cigarette smoking, and cancer risk. Hum Genet 2003;113(3):238

ENGLISH

Genetic and Molecular Changes in Lung Cancer

Drª Ana Paula Dergham,  Oncology Resident at HC-UFPR – Curitiba- Brazil

Dr. Marcos Nascimento,Prof. PUCPR

Do not talk in genetic changes when you mention cancer is kicking at least 50 years in medical advances and especially do not understand the aspects of current cancer treatment. And with lung cancer is no different. Much is known about the causal factor relationship with smoking and lung cancer cell yet the alteration caused by smoking occurs because genetic and molecular mechanisms are involved. The accumulation of genetic abnormalities influences the process of invasion, metastasis and resistance to therapy. Understand this whole structure becomes very important since early detection of genetic alterations may contribute beyond the greater understanding of the disease in future gene therapy, provide early diagnosis increasingly seeking treatments and more immediate targets for molecular therapy with less toxicity and higher chances of cure.
Because we understand very well that smoking is the main causal factor of lung cancer, other than the difficulty of other types of malignancies, the process of change in the normal bronchial epithelium until the malignancy has made significant progress. The sequence of morphological changes associated with the tumor over time is better established in carcinoma cells escamosas.1 The sequence of events goes from the normal mucosa, hyperplasia of basal cells, squamous metaplasia, squamous dysplasia, carcinoma in situ and carcinoma Squamous cell itself. This process in no way be characterized by static. It is bound by the underlying molecular mechanisms that guide the entire process. The sequence of histological changes corresponding to progression of genetic abnormalities and epigenetic determined by loss of control of normal cell growth. This process, which characterizes the carcino genesis has been observed in the last 25 years of research and occurs in all histological types of lung cancer and include: loss of alleles, chromosome instability, mutation of oncogenes and tumor suppressor genes, epigenetic silence promoter hypermethylation, among others.
Different molecular markers have been identified in mucosal bronchial biopsies from smokers and nonsmokers and that are histologically indistinguishable. For example, genetic mutations as the loss of one allele in one or more chromosomal regions was observed more frequently in non-malignant epithelia of smokers than those who never smoke.2

Smokers without lung cancer is 35% chance to promote hyper methylation of p16 .3.
One of the earliest and most consistent abnormalities in lung cancer is the loss or inactivation of genetic material on the short arm of chromosome 3 (3p) .3,4 The loss of allele on chromosome 3p is an event often detected in bronchial dysplasias or even in histologically normal epithelia. This region is the location of multiple tumor suppressor genes, including RARB (retinoic acid receptor beta) in 3p24, RASSF1A (Ras associated domain family I) in 3p21.3 and encodes a protein required for apoptosis and FHIT ( Fragile Histidine Triad) gene in 3p14.2. The fifth amendment on chromosome 3p corresponds to the third most common genetic event, strongly associated with smoking, occurs in preneoplastic lesions and is documented in bronchoalveolar lavage, detectable in 80% In Small Cell Lung Cancer (NSCLC) and also in Small Cell Lung Cancer (SCLC). This region of chromosome has other tumor suppressor genes, including FHIT and RASSF1A mentioned previously.
The inactivation of p16, which is a tumor suppressor gene inhibitor of cyclin D2, D4 and D6, it loses expression determining irregular protein Rb phosphorylation is incapable of preventing cell cycle progression and uncontrolled cell division, and occurs by genetic deletion or silent epigenetic abnormality corresponding to other well-grounded in cancer pulmao.6, 7

The p16 INK4A is important in the integrity / G1 phase checkpoint. Approximately 40% of NSCLC tumors lose the activity of p16INK4a.
The most frequent mutation of the p53 tumor suppressor gene. This gene encodes the protein p53 that is responsible for the ownership of counter proliferation, particularly by genotoxic stress. This alteration occurs in approximately 50% of NSCLC and 70% SCLC. Losses occur in 1p, 3p, 6q, 9p, 11p, 15p and 17p (p53 gene locations).
The second most common mutation is the retinoblastoma gene (Rb1) 13q14, tumor suppressor gene that encodes the Rb protein, responsible for the transition G1-S phase of the cell cycle. The most common mechanism of inactivation is the loss of expression of Rb1, the silence of the INK4 and over expression of CCND1, which encodes cyclin D1. These three active genes in the cascade of signal sequence control of Rb and there is a constant inverse correlation between loss of Rb protein, inactivation of p16 and over expression of cyclin D1. The loss of protein expression of the Rb gene is detectable in approximately 80-100% of high-grade neuroendocrine tumors. It is absent or structurally abnormal in 90% SCLC and NSCLC 15-30%.
Translocations are rare, except at (15, 19) which is well documented in literature.8
The RAS gene family in particular, the KRAS can be activated when there are mutations in codons 12,13 or 61 in about 20-30% NSCLC, with 90% of RAS mutation in lung adenocarcinomas  and 85% of KRAS mutation affecting codon 12. Moreover, it is noteworthy that the KRAS mutation is rare in SCLC.

The molecular epidemiology represents the future?
It is indeed the speed of evolutionary changes of the molecular genetics of particularly genomics, proteomics and transgenic animal models for studies. With so many studies and genetic mechanisms to discover, it is clear that the molecular epidemiology will be part of routine screening, diagnosis and treatment of lung cancer in the same way that it is indeed the association of the carcinogens in tobacco smoking and genetic susceptibility to malignancies of lung.

Among the polycyclic aromatic hydrocarbons, benzopyrene is the most widely tested and tumorigenesis related to him is well described and its diol epoxide metabolite has been implicated as a cause of mutation in the gene p53.9
Although cigarette smoking is the cause of lung cancer in 90% of cases, the majority of chronic smokers do not develop cancer. This observation suggests that individuals exhibit variations as genetic susceptibility polymorphisms, DNA repair and other homeostatic mechanisms that determine the individual risk of lung cancer.
The bases of diagnosis should correspond to cell line, the pathogenic mutations and clinical correlation and not simply a delayed diagnosis through the identification of a lung mass on a chest x-ray. The detection of methylated DNA sequences in body fluids such as serum and bronchoalveolar lavage specimens may be used to predict the development of lung cancer. The earlier the diagnosis and greater understanding of the molecular changes involved benefit and better chances of cure with treatment. Therefore, improving the methods to increase the identification of pre neoplastic lesions through the molecular identification is the starting point for therapies based on knowledge of specific genetic abnormalities. Besides the known through the screening chest x-ray markers, identification of genetic epidemiology, molecular markers of prognosis and genetic changes respiratory reeditarao many books pulmonology and oncology in a near future.

REFERENCES :
1. Saccomanno G, Archer VE, Auerbach O et al. Development of carcinoma of the lung Reflected in the exfoliated cells. Cancer 33: 256-270.1974.
2. Wistuba II, Behrens C, Virmani AK et al. Allelic Losses at Chromosome 8p21-23 are early and frequent events in the pathogenesis of lung cancer. Cancer Res 59: 1973 to 1979.1999.
3. Belinsky SA, Palmisano WA, Gilliland FD et al. Aberrant promoter methylation in bronchial epithelium and sputum from current and former smokers. Cancer Res 62: 2370 to 2377.2002.
4. Naylor SL, Johnson BE, Minna JD et al. Loss of heterozygosity of chromosome 3p markers in small-cell lung cancer. Nature 329: 451-454.1987.
5. Sozzi G, Veronese ML, Negrini M et al. The FHIT gene 3p14.2 is abnormal in lung cancer. Cell 85:17-26,1996.
6. Swafford DS, Middleton SK, Palmisano WA et al. Frequent aberrant methylation of p16INK4a in primary rat lung tumors. Mol Cell Biol 17:1366-1374, 1997
7. Belinsky SA, Nikula KJ, Palmisano WA et al. Aberrant methylation of p16INK4a is an early event in cancer lunch and a potential biomarker for early diagnosis. Proc Natl Acad Sci USA 95:11891-11896,1998.
8. Yang L, Parkin DM, Ferlay J, Li L, Chen Y. Estimates of cancer incidence in China for 2000 and Projections for 2005. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 2005; 14 (1): 243
9. Hwang SJ, Cheng LS, Lozano G, et al. Lung cancer risk in germline p53 mutation carriers: association Between an inherited cancer predisposition, cigarette smoking, and cancer risk. Hum Genet 2003; 113 (3): 238


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