Evolution

Un estudio publicado hoy en la revista Science revela cómo fragmentos de ADN humano que se «saltan» de un lugar a otro en el genoma, un tipo de parásito genético, desestabilizan el genoma del cáncer. Los genomas inestables son un terreno fértil para la evolución del cáncer, brindando a las células malignas más oportunidades para crecer, adaptarse y evadir el tratamiento.

Los investigadores analizaron secuencias genómicas de tumores con una actividad inusualmente alta de elementos LINE-1 (L1), fragmentos de ADN que se copian a sí mismos y pegan esa copia en otras ubicaciones dentro del genoma.

Anteriormente se pensaba que estos elementos eran una fuente de mutaciones locales que interrumpían ocasionalmente genes individuales al insertarse en el lugar equivocado. Ahora, los investigadores han encontrado evidencia de que la actividad de L1 también puede impulsar modificaciones arquitectónicas a gran escala que generan caos genómico.

«Los genomas del cáncer están más influenciados por estos fragmentos de ADN parásitos de lo que pensábamos», explica el profesor José Tubio, investigador del Centro de Investigación en Medicina Molecular y Enfermedades Crónicas (CiMUS) de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) y coordinador del estudio.

Los hallazgos desafían la idea largamente sostenida de que la actividad de L1 es un subproducto de un genoma del cáncer ya caótico. En lugar de aparecer solo en etapas avanzadas del cáncer, el estudio encontró que dos de cada tres (65%) eventos L1 ocurrieron en las primeras etapas de la evolución del tumor.

Este descubrimiento podría ayudar a explicar cómo el cáncer remodela el genoma, y viceversa, en las primeras etapas de la enfermedad, lo que podría conducir a nuevas estrategias para la detección y el tratamiento tempranos.

El siguiente enfoque debería ser comprender cuándo y dónde la actividad de L1 altera el equilibrio y cómo podemos dirigirla terapéuticamente.

Dr. Bernardo Rodriguez-Martin, investigador del Centre for Genomic Regulation en Barcelona y uno de los principales autores del estudio.

El legado de antiguos ‘parásitos del ADN’

Los elementos L1 son antiguos «autostopistas» genéticos. Se consideran secuencias de ADN parásitas porque casi todos son neutrales o perjudiciales para el organismo huésped, existiendo para promover su propia replicación a través de un proceso llamado retrotransposición.

Durante millones de años de evolución de los mamíferos, los elementos L1 se han amplificado en el genoma. Hay aproximadamente 500.000 copias que constituyen el 17% del genoma humano, pero la mayoría son fósiles genómicos que permanecen inactivos. En promedio, cada individuo tiene una pequeña fracción, entre 150 y 200 elementos L1, que aún pueden saltar e insertarse en nuevas ubicaciones genómicas.

La retrotransposición de L1 se sabe que es un proceso mutacional frecuente en diferentes tipos de cáncer, incluidos los tumores de cabeza y cuello, pulmón y colorrectales. Evidencias tempranas han demostrado que estos eventos ayudan a los tumores a crecer y adaptarse al producir aberraciones genómicas que afectan a los genes del cáncer.

Hasta ahora, no estaba claro cómo los elementos L1 interrumpen los genomas, y en qué medida lo hacen en la salud o la enfermedad, ya que gran parte de lo que podían ver los científicos dependía de una tecnología llamada secuenciación de ADN de lectura corta. Esta tecnología tiene dificultades para reconstruir cómo los elementos L1 alteran la arquitectura del genoma.

Para superar esta limitación, los investigadores utilizaron una nueva tecnología llamada secuenciación de lectura larga. Por primera vez, esto les permitió ver los cambios completos que los elementos L1 realizan en la estructura del genoma del cáncer, incluidas las deleciones, las translocaciones y otras reorganizaciones de la secuencia de ADN.

Uno de cada 40 saltos reconfigura el genoma

Los investigadores seleccionaron diez tumores con alta actividad de L1 para una secuenciación en profundidad: cinco carcinomas de células escamosas de cabeza y cuello, cuatro carcinomas de células escamosas de pulmón y un adenoma colorrectal. Encontraron un total de 6.418 eventos de retrotransposición, con variación entre los tipos de cáncer.

La gran mayoría de los eventos de «copiar y pegar» encontrados fueron inserciones, donde los elementos L1 insertan una copia de sí mismos en la secuencia de ADN en otras ubicaciones, alterando la longitud del genoma. Estos eventos pueden interrumpir la función de un gen, pero la mayoría de las inserciones están truncadas y, por lo tanto, es poco probable que vuelvan a saltar.

Entre estos miles de casos, el equipo también identificó 152 instancias en las que L1 creó reorganizaciones estructurales a gran escala, con una tasa de incidencia de 1 de cada 40 para tumores con alta actividad de L1 y 1 de cada 60 para tumores con menor actividad. Estos cambios en la arquitectura del genoma son mucho más dramáticos y disruptivos, lo que los convierte en posibles impulsores del desarrollo del cáncer.

«En el papel, 152 puede no parecer un número enorme. Pero cuando se observan solo diez tumores, es extraordinariamente alto», dice Rodriguez-Martin.

Este hallazgo refuerza los argumentos para utilizar la secuenciación de lectura larga en casos en los que las pruebas estándar no pueden explicar el comportamiento de un tumor, ya que la secuenciación de lectura corta no detectaría el posible mecanismo de acción.

«Tres cuartas partes de estas reorganizaciones a gran escala habrían pasado desapercibidas para las tecnologías de secuenciación de lectura corta. Sin embargo, esperamos que el precio de la secuenciación de lectura larga se reduzca aproximadamente a la mitad este año, lo que significa que este tipo de análisis estructural profundo no permanecerá como algo especializado por mucho tiempo», dice el Dr. Rodriguez-Martin.

Las reorganizaciones estructurales tuvieron muchos mecanismos de acción diferentes, incluido un intercambio de ADN entre cromosomas que era desconocido para la ciencia hasta ahora. Los investigadores plantean la hipótesis de que esto puede deberse a dos eventos L1 separados que ocurren aproximadamente al mismo tiempo en diferentes cromosomas, cada uno intercambiando aproximadamente la misma cantidad de ADN en un intercambio equilibrado que llaman translocación recíproca.

«Es como si dos páginas diferentes de un libro se rasgaran simultáneamente y se intercambiaran fragmentos entre sí. Los elementos L1 se comportan como pegamento que une ambas páginas», explica Sonia Zumalave, la primera autora del estudio.

Nuevas pistas sobre las etapas tempranas de la formación del tumor

Un hito frecuente en las primeras etapas de la formación del tumor es un evento de duplicación del genoma completo, que ocurre cuando una célula cancerosa duplica accidentalmente todo su conjunto de cromosomas. La duplicación del genoma completo ocurrió una mediana de 4,77 años antes del diagnóstico de los tumores utilizados en el estudio.

Los investigadores encontraron que la mayoría de la actividad de L1 precedió al evento de duplicación del genoma completo, lo que significa que la retrotransposición puede ser un proceso mutacional temprano. Esto sugiere que la actividad de L1 es un contribuyente mayor al caos genómico que precede a la formación del cáncer de lo que se pensaba.

En un experimento complementario, el estudio encontró que los promotores de los eventos L1 suelen estar menos metilados en los tumores que en el tejido no tumoral cercano, un patrón consistente con la idea de que los cambios epigenéticos en el genoma humano podrían despertar secuencias de ADN parásitas latentes.

El estudio tiene limitaciones. Sus resultados se basan en un conjunto deliberadamente elegido de cánceres con actividad L1 extrema para que los científicos pudieran detectar mecanismos raros que serían invisibles en muestras con menor actividad, lo que significa que los hallazgos pueden no aplicarse a otros tipos de tumores.

El estudio fue realizado por el Centro de Investigación en Medicina Molecular y Enfermedades Crónicas (CiMUS) de la Universidade de Santiago de Compostela en colaboración con el Centre for Genomic Regulation (CRG) en Barcelona, Université Côte d’Azur en Francia, el Francis Crick Institute en el Reino Unido y la Universidad de Texas MD Anderson Cancer centre en los Estados Unidos.