Cromotripsis

La cromotripsis es un proceso mutacional por el cual se producen hasta miles de reordenamientos cromosómicos agrupados en un solo evento en regiones genómicas localizadas y confinadas en uno o unos pocos cromosomas , y se sabe que está involucrada tanto en el cáncer como en las enfermedades congénitas. Ocurre a través de un reordenamiento genómico masivo durante un solo evento catastrófico en la historia de la célula. Se cree que para que la célula pueda resistir un evento tan destructivo, la ocurrencia de dicho evento debe ser el límite superior de lo que una célula puede tolerar y sobrevivir. ^[1] El fenómeno de la cromotripsis se opone a la teoría convencional de que el cáncer es la adquisición gradual de reordenamientos genómicos y mutaciones somáticas a lo largo del tiempo. ^[2]

El modelo más simple de cómo ocurren estos reordenamientos es a través de la fragmentación simultánea de regiones cromosómicas distintas (los puntos de ruptura muestran una distribución no aleatoria) y luego un reensamblaje imperfecto posterior por vías de reparación del ADN o mecanismos aberrantes de replicación del ADN . La cromotripsis ocurre temprano en el desarrollo del tumor y conduce a la transformación celular por pérdida de supresores tumorales y amplificaciones de oncogenes . ^[3] En 2015, se descubrió que la cromotripsis también puede ser curativa: una mujer que tenía el síndrome WHIM (verrugas, hipogammaglobulinemia, infecciones y mielocatexis), una enfermedad de inmunodeficiencia combinada autosómica dominante extremadamente rara, descubrió que sus síntomas desaparecieron durante sus 30 años después de que la cromotripsis del cromosoma 2 eliminara el alelo de la enfermedad. ^[4]

El término cromotripsis es un neologismo acuñado por científicos del Wellcome Trust Sanger Institute ^[2] que proviene de las palabras griegas χρῶμα , khrôma 'color' (que representa a los cromosomas porque están fuertemente teñidos por tintes particulares), y θρίψις, thrípsis 'romperse en pedazos'. ^[2]

La cromotripsis se observó por primera vez al secuenciar el genoma de una leucemia linfocítica crónica . A través de la secuenciación de extremos pareados , se encontraron 55 reordenamientos cromosómicos en el brazo largo del cromosoma 8 y un número significativo de reordenamientos en regiones de los cromosomas 7, 12 y 15. ^[2] Investigaciones posteriores que utilizaron la secuenciación de extremos pareados de todo el genoma y el análisis de matriz de SNP ^[5] han encontrado patrones similares de cromotripsis en varios cánceres humanos, por ejemplo , melanomas , sarcomas y cánceres colorrectales , de pulmón y de tiroides . En investigaciones posteriores, alrededor del 25% de los cánceres óseos estudiados mostraron evidencia de cromotripsis. La cromotripsis se ha relacionado con la generación de fusiones oncogénicas en el ependimoma supratentorial , el fibroma condromixoide y el sarcoma de Ewing , siendo los dos últimos tumores óseos. ^{[6] [7]} Se ha observado cromotripsis en el 2-3% de los cánceres en todos los subtipos. ^[3]

• Un gran número de reordenamientos complejos en regiones localizadas de cromosomas individuales o brazos cromosómicos (mostrados por una alta densidad y puntos de ruptura agrupados) lo que sugiere que los cromosomas necesitan condensarse, por ejemplo, en la mitosis para que se produzca la cromotripsis. ^{[1] [3] [8]}
• Estados con un número bajo de copias : alternancia entre 2 estados (a veces 3), lo que sugiere que los reordenamientos ocurrieron en un corto período de tiempo. ^{[1] [3] [8]}
• En las áreas cromotrópicas, se produce una alternancia de regiones que conservan la heterocigosidad (dos copias, sin pérdida ni ganancia) con regiones que tienen pérdida de heterocigosidad (una copia, deleción heterocigótica). Esto sugiere que los reordenamientos se produjeron en un momento en el que ambas copias parentales del cromosoma estaban presentes y, por tanto, en una fase temprana del desarrollo de la célula cancerosa . Esto también respalda el hecho de que la cromotripsis se produce como un acontecimiento catastrófico en la historia de la célula, ya que una vez que se pierde la heterocigosidad, por lo general no se puede recuperar; por lo tanto, es difícil explicar el estado heterocigótico de dos copias que se produce en parches a lo largo de la región cromotrópica. ^{[1] [3] [8]}
• Se han descrito varios criterios adicionales para la inferencia de eventos de cromotripsis: agrupamiento de puntos de ruptura cromosómicos; prevalencia de reordenamientos que afectan a un solo haplotipo; aleatoriedad de las uniones de fragmentos (es decir, una distribución aproximadamente igual de conexiones segmentarias de cola a cabeza, cabeza a cola, cabeza a cabeza y cola a cola que ocurren junto con la cromotripsis); y aleatoriedad del orden de los fragmentos de ADN a lo largo del cromosoma derivado resultante. ^[8] Además, si todos los reordenamientos de ADN en una región con cromotripsis son detectables, el orden relativo en el que se unen los segmentos se puede reconstruir e identificar eventos de cromotripsis a través de "recorridos cromosómicos derivados". ^[8]

El modelo más aceptado y sencillo para la cromotripsis es que dentro de un solo cromosoma, distintas regiones cromosómicas se fragmentan/se rompen casi simultáneamente y luego se vuelven a unir en una orientación incorrecta. La eliminación de ciertos fragmentos, incluidas las deleciones de unos pocos cientos de pares de bases de longitud , y por lo tanto de segmentos genéticos, es posible y, en consecuencia, la producción de cromosomas doblemente diminutos . ^[2] Cuando intervienen varios cromosomas en la cromotripsis, los fragmentos de ambos cromosomas se unen entre sí mediante la unión de extremos pareados y el intercambio de fragmentos entre los cromosomas originales. ^[3]

La reunificación de fragmentos requiere una homología de secuencia mínima o incluso nula , lo que sugiere que los mecanismos de reparación no homólogos o microhomólogos, como la unión de extremos no homólogos (NHEJ) y la reparación inducida por rotura mediada por microhomología (MMBIR), dominan la reparación de roturas de doble cadena y están involucrados en el modelado del paisaje cromotróptico, a diferencia de la recombinación homóloga que requiere homología de secuencia . También se ha demostrado que la unión de fragmentos y los reordenamientos tienen lugar en los cromosomas paternos. ^[5]

Además de en las células cancerosas , también se ha informado de cromotripsis en pacientes con defectos de desarrollo y congénitos , es decir, células de la línea germinal . Utilizando múltiples técnicas moleculares de estas células de la línea germinal que parecen haber sufrido un proceso similar a la cromotripsis, así como inversiones y translocaciones , también se observaron duplicaciones y triplicaciones y, por lo tanto, aumentos en el número de copias . Esto se puede atribuir a procesos replicativos que involucran la restauración de horquillas de replicación colapsadas , como el modelo de bloqueo de horquillas y cambio de plantilla (FoSTeS) o la replicación inducida por rotura mediada por microhomología (MMBIR). ^[9] Esto hace que parezca que sería más apropiado nombrar el fenómeno "cromoanasíntesis", que significa reconstitución cromosómica en lugar de cromotripsis. ^[9] Sin embargo, la mayoría de las muestras que muestran cromotripsis que se analizan tienen estados de copia bajos y, por lo tanto, tienen mecanismos de reparación predominantes de unión de extremos pareados. ^[2]

Se requieren más estudios de los eventos de cromotripsis y de las muestras cromotripsis para comprender la importancia relativa de la unión de extremos pareados y la reparación replicativa en la cromotripsis. ^[3]

Una de las principales características de la cromotripsis es la gran cantidad de reordenamientos complejos que se producen en regiones localizadas de cromosomas individuales. La capacidad de causar un daño tan limitado sugiere que los cromosomas deben condensarse, por ejemplo, en la mitosis , para que se inicien la cromotripsis y los reordenamientos cromosómicos . ^{[1] [3]}

Los mecanismos de la cromotripsis no se comprenden bien. Existen múltiples ideas sobre cómo se produce la cromotripsis. ^{[ cita requerida ]}

El modelo de micronúcleos es el modelo más aceptado en cuanto a cómo y cuándo se produce la rotura y reparación en la cromotripsis. En las células cancerosas, la fragmentación de los cromosomas se ha correlacionado con la presencia de micronúcleos . ^[3] Los micronúcleos son estructuras formadas por errores mitóticos en la transición de la metafase a la anafase. Las células con segregación cromosómica defectuosa formarán micronúcleos que contienen cromosomas completos o fragmentos de cromosomas. La segregación de cromosomas individuales en micronúcleos individuales explica por qué la fragmentación del ADN se limita a cromosomas individuales en la cromotripsis. ^[10]

Estos micronúcleos sufren una replicación defectuosa del ADN , que es más lenta que la replicación del ADN en el núcleo principal y provoca que se inicie una respuesta proximal al daño del ADN (DDR). Sin embargo, la reparación del ADN y la activación del punto de control del ciclo celular no se producen. ^[11] En consecuencia, los cromosomas que no se replican correctamente en los micronúcleos se fragmentan. ^[10] El mecanismo por el cual ocurre la pulverización de estos cromosomas no se entiende completamente, pero se piensa que es causado por una replicación aberrante del ADN o por una condensación cromosómica prematura , que implica que los cromosomas semirreplicados se compacten por la actividad de la cinasa dependiente de ciclina . ^[12] Los segmentos cromosómicos fragmentados resultantes se pueden unir para dar lugar a un cromosoma reordenado, que posteriormente se puede reincorporar al núcleo principal de una célula hija . El nuevo cromosoma puede persistir durante varias generaciones de divisiones del ciclo celular y contribuir al desarrollo de una célula cancerosa . ^{[3] [10]}

Aunque el modelo de micronúcleo es apropiado, es probable que otros factores contribuyan a la cromotripsis en varios genomas de cáncer. ^[3]

La ruptura de cromosomas se desencadena y el reensamblaje de fragmentos de cromosomas en estrecha proximidad es causado por estímulos ambientales como la radiación ionizante de alta energía encontrada durante la mitosis . ^[1]

Los estímulos de estrés como la radiación, la privación de nutrientes o la privación de oxígeno que causan apoptosis provocarán la fragmentación de la cromatina y harán que la mayoría de las células entren en apoptosis. Sin embargo, un pequeño subconjunto de células sobrevivirá a la apoptosis . Este ADN escindido requerirá reparación, y cuando esto se hace incorrectamente, se introducirán reordenamientos en el cromosoma. Actualmente se especula que la cromotripsis podría ser impulsada por virus como los virus del herpes gamma que causan cáncer , posiblemente por la inhibición de la apoptosis . Sin embargo, esta especulación requiere más investigación. ^[13]

Las disfunciones o roturas teloméricas de doble cadena son generadas por agentes exógenos o estrés replicativo. Se sabe que las disfunciones teloméricas promueven anomalías cromosómicas asociadas con las células cancerosas. Por ejemplo, las disfunciones o roturas teloméricas de doble cadena pueden causar la fusión de cromátidas hermanas o de extremo a extremo y la formación de puentes anafásicos que resultan en cromosomas dicéntricos que pueden dar lugar a reordenamientos posteriores. Esta es una explicación más plausible, ya que se ha observado que la cromotripsis afecta principalmente a las regiones teloméricas. ^[13]

Las mutaciones en el gen TP53 pueden predisponer a una célula a la cromotripsis. ^{[ cita requerida ]}

Mediante la secuenciación del genoma de un tumor cerebral de meduloblastoma de Sonic hedgehog (SHH-MB), se ha descubierto un vínculo significativo entre las mutaciones de TP53 y la cromotripsis en los SHH-MB. Estudios posteriores sobre la asociación entre TP53 y la cromotripsis han revelado un papel de p53 , una proteína supresora de tumores , en el reordenamiento genómico masivo que tiene lugar en la cromotripsis. Por lo tanto, existe una fuerte asociación entre el estado de p53 y la cromotripsis, lo que proporciona una idea de por qué algunos cánceres son más agresivos. ^{[14] [15]}

También se ha demostrado que las células que contienen la mutación TP53 muestran una preferencia por mecanismos de reparación de baja fidelidad, como la unión de extremos no homólogos . Las mutaciones TP53 también se han expresado en células que presentan uniones de extremos más cortas ^{[ aclaración necesaria ]} y son más propensas a la fusión de extremos. También se plantea la hipótesis de que las mutaciones TP53 pueden estar implicadas en la condensación prematura de cromosomas . TP53 también puede contribuir a la capacidad de las células para sobrevivir al evento catastrófico que normalmente se consideraría demasiado destructivo para resistir. ^[1]

Se ha observado que la cromotripsis causa amplificación de oncogenes , amplificación de regiones que contienen oncogenes y la pérdida de supresores de tumores . ^[3]

Los errores de segregación cromosómica pueden provocar daños en el ADN y aberraciones cromosómicas como la aneuploidía , que está vinculada al desarrollo de tumores. ^{[3] [16]} La formación de micronúcleos generalmente ocurre simultáneamente con la aneuploidía y las células aneuploides están controladas por mecanismos que involucran a p53 . Para que los micronúcleos progresen a través del ciclo celular e induzcan daño cromosómico, se ha visto que son necesarios niveles disminuidos de p53. A través de investigaciones adicionales, se ha visto que ocurren tumores cromotrópicos en pacientes con mutaciones de p53. ^{[17] [18]}

Los defectos en la respuesta al daño del ADN pueden provocar un aumento de la frecuencia de formación de micronúcleos y, por lo tanto, la aparición de cromotripsis. Existen numerosos ejemplos de cómo las vías DDR afectan la cromotripsis y, por lo tanto, causan el desarrollo de tumores y cánceres. ^[3]

• Síndrome de Bloom : Las mutaciones en el gen BLM que codifica una familia de helicasas de ADN RecQ provocan la acumulación de micronúcleos que dan lugar al síndrome de Bloom, que predispone a los pacientes al cáncer . ^[19]
• Anemia de Fanconi : La anemia de Fanconi es un trastorno que predispone a los pacientes al cáncer debido a su efecto sobre las vías de reparación del ADN . ^[20] Las mutaciones en el gen FANCM provocan una mayor formación de micronúcleos y, por lo tanto, una cromotripsis extrema. ^[21]

Además de las células que presentan defectos DDR, es probable que tengan mecanismos apoptóticos reprimidos que aumentarán aún más la aparición de mutaciones y aneuploidía . ^[3]

La investigación en pacientes con cánceres asociados a cromotripsis puede brindar cierta información sobre el pronóstico. Las mutaciones de TP53 y la cromotripsis se han relacionado en pacientes con meduloblastoma SHH. ^[1] Los malos resultados clínicos en neuroblastomas (como los causados ​​por la eliminación del gen FANC en la anemia de Fanconi) se han relacionado con la aparición frecuente de cromotripsis. ^[22] La detección de cromotripsis en los materiales de biopsia puede conducir a buenas estimaciones del pronóstico y mejores resultados para los pacientes. ^{[ cita requerida ]}

Se señaló que las simulaciones computacionales iniciales que sustentan la naturaleza de evento único de la cromotripsis, que son fundamentales para la teoría, no necesariamente probaron la existencia de un evento único, y que los modelos conocidos de desarrollo progresivo del cáncer no contradicen la ocurrencia de reordenamientos complejos. ^[23] También se ha sugerido que no existe un evento traumático único, sino que los ciclos repetidos de ruptura-fusión-puente podrían causar los patrones genéticos complejos. ^[24]

En 2015, varios grupos de investigación presentaron evidencia experimental de que la cromotripsis es efectivamente causada por un único evento catastrófico. Mediante una combinación de imágenes de células vivas y secuenciación genómica de células individuales aisladas manualmente, se demostró que la formación de micronúcleos puede generar un espectro de reordenamientos genómicos, algunos de los cuales recapitulan todas las características conocidas de la cromotripsis. ^[25] Además, los estudios de investigación que indujeron crisis teloméricas seguidas de secuenciación de los clones resultantes demostraron reordenamientos complejos del ADN que recapitulan directamente el modelo de catástrofe cromosómica única de la cromotripsis. ^{[26] [27]}

• Carcinogénesis
• Cromoplejía
• Cateegis