Abel Gonzalez-Perez¹, Jordi Deu-Pons², Nuria Lopez-Bigas^2,3

 ¹ Research Unit on Biomedical Informatics, Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM), Barcelona

² Research Unit on Biomedical Informatics, Department of Experimental and Health Sciences, Universitat Pompeu Fabra (UPF), Barcelona

₃ Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), Barcelona, Spain.

Los proyectos de secuenciación del genoma de tumores, que permiten detectar las mutaciones que han ocurrido en el desarrollo de cada cáncer individual (somáticas) han mostrado que células de distintos tipos tumorales poseen diferentes ‘patrones’ mutacionales relacionadas con los procesos que generan dichas mutaciones (Alexandrov et al. 2013). Por ejemplo, el ADN de los melanocitos y otras células de la piel sometidos a los rayos ultravioletas (UV) del sol sufren lesiones específicas en regiones de dipirimidinas que resultan en cambios de citosinas a timinas con mucha más frecuencia que cualquier otro cambio de nucleótidos. Otras investigaciones han identificado que la frecuencia de dichas mutaciones depende de características globales del genoma como el orden de replicación, la compactación de la cromatina y el nivel de expresión del gen (Lawrence et al. 2013; Polak et al. 2015).

Los fotoproductos de dipirimidinas formados en el ADN de los melanocitos por la radiación UV son reparados por una maquinaria macromolecular conocida como sistema de escisión de nucleótidos (NER, por sus siglas en  inglés) (Marteijn et al. 2014). La elucidación del funcionamiento de NER proporcionó el premio Nobel de Química 2015 al Dr. Aziz Sancar. Un estudio llevado a cabo por nuestro grupo y recientemente publicado en Nature (Sabarinathan et al. 2016) demuestra que, en regiones del genoma cubiertas por proteínas unidas al ADN (por ejemplo, factores de transcripción) el sistema NER encuentra dificultades para acceder a las lesiones. Cuando el ADN de los melanocitos se replica, como paso previo para la división celular, en los sitios de las lesiones no reparadas, la ADN polimerasa introduce nucleótidos incorrectos que pueden dar lugar a mutaciones en las células hijas.

En nuestro estudio, partimos del análisis de la frecuencia de las mutaciones observadas en las regiones de unión de factores de transcripción en melanomas, los tumores que resultan de la malignización causada por la acumulación de mutaciones en los melanocitos. Nos servimos para este análisis de las mutaciones detectadas en 38 melanomas cuyos genomas completos fueron secuenciados como parte del proyecto del Atlas de Genomas de Cáncer (TCGA por sus siglas en inglés) (Fredriksson et al. 2014). En primer lugar, detectamos que en las regiones de unión de factores de transcripción que se encuentran en los promotores de los genes activos en los melanocitos ocurren mutaciones con una frecuencia cinco veces superior a la esperada a partir de la observación de las regiones vecinas del genoma. Comprobamos que dicho aumento no se debía a un sesgo en la composición nucleotídica de esas regiones. El aumento era despreciable en las regiones de unión de factores de transcripción que se encuentran inactivas en los melanocitos. También determinamos que el aumento en la frecuencia de mutaciones era notable en las regiones de unión de factores de transcripción distales de los genes. Finalmente, determinamos que el incremento de la frecuencia de mutaciones podía detectarse para cada factor de transcripción individual, y en cada uno de los 38 melanomas estudiados.

El paso siguiente del estudio consistió en determinar si el aumento observado de la frecuencia de mutaciones en las regiones de unión de factores de transcripción se debía a un incremento en la aparición de lesiones causadas por la luz UV o a un déficit de los mecanismos de reparación del ADN encargados de corregirlas. Para ello utilizamos datos de la secuenciación de los oligonucleótidos de ADN liberados por  el sistema NER en líneas celulares derivadas de fibroblastos de la piel sometidas a radiación UV producidos por el grupo de Aziz Sancar (Hu et al. 2015). Los sitios del genoma en los que el sistema NER tiene mayor actividad aparecen representados por un mayor número de oligonucleótidos liberados por la escisión. De esta manera se obtiene un mapa con resolución a nivel de nucleótido de la actividad del sistema NER a lo largo de todo el genoma. Empleando este mapa demostramos que dicha actividad de reparación exhibe un declive en las regiones de unión de factores de transcripción, pero un incremento justo en las regiones adyacentes. En esta área, que abarca en total unos cien nucleótidos y se extiende a ambos lados del sitio de unión del factor de transcripción (detectada porque presenta hipersensibilidad al tratamiento con nucleasas; DHS, por sus siglas en inglés), la cromatina se encuentra abierta, para permitir la unión de dicha proteína, pero el ADN se encuentra descubierto, ya que la misma solo cubre el centro del DHS (entre 20 y 50 nucleótidos). El mapa de actividad del sistema NER, con su incremento en las regiones exteriores del DHS y su declive justo en el centro, en el sitio de unión del factor de transcripción, ilustra que la accesibilidad de las regiones del genoma a la reparación varía localmente, con diferencias marcadas en áreas de apenas unas decenas de nucleótidos. Esta variabilidad local de la accesibilidad a la maquinaria de reparación, (observada por primera vez en este estudio) que produce cambios locales en la eficiencia del sistema NER es la causa de la variación de la frecuencia de mutaciones observada a esta misma escala en el genoma de los melanomas. En la región periférica de los DHS (alrededor del sitio de unión del factor de transcripción) la frecuencia de mutaciones es menor que fuera del DHS, a tenor con el aumento de la eficiencia de NER. El centro del DHS, que alberga el sitio de unión del factor de transcripción, presenta una frecuencia de mutaciones mayor que el entorno, como se ha descrito con anterioridad. Globalmente, el DHS exhibe una carga mutacional menor que las regiones vecinas (Polak et al. 2014).

Finalmente, nuestro estudio exploró si la variación local del patrón de mutaciones dentro de los DHS en torno al sitio de unión de los factores de transcripción se observa también en otros tumores cuyas mutaciones también tienen su origen en la reparación defectuosa por el sistema NER de lesiones del ADN producidas por mutágenos externos, como el tabaco. Encontramos que tanto los adenocarcinomas como los tumores de célula escamosa de pulmón presentan el mismo incremento de la frecuencia de mutaciones en la región de unión de los factores de transcripción en los promotores activos observado en los melanomas.

Referencia:

Sabarinathan R, et al. Nucleotide excision repair is impaired by binding of transcription factors to DNA. Nature. 2016 Apr 14;532(7598):264-7. doi: http://dx.doi.org/10.1038/nature17661

Bibliografía:

Alexandrov LB, et al.  Signatures of mutational processes in human cancer. Nature. 2013 Aug 22;500(7463):415-21. doi: 10.1038/nature12477. Erratum in: Nature. 2013 Oct 10;502(7470):258.

Fredriksson NJ, et al. Systematic analysis of noncoding somatic mutations and gene expression alterations across 14 tumor types. Nat Genet. 2014 Dec;46(12):1258-63. doi: 10.1038/ng.3141.

Hu J, Adar S, Selby CP, Lieb JD, Sancar A. Genome-wide analysis of human global and transcription-coupled excision repair of UV damage at single-nucleotide resolution. Genes Dev. 2015 May 1;29(9):948-60. doi: 10.1101/gad.261271.115.

Lawrence MS, et al. Mutational heterogeneity in cancer and the search for new cancer-associated genes. Nature. 2013 Jul 11;499(7457):214-8. doi: 10.1038/nature12213.

Marteijn JA, et al. Understanding nucleotide excision repair and its roles in cancer and ageing. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014 Jul;15(7):465-81. doi: 10.1038/nrm3822.

Polak P, et al. Cell-of-origin chromatin organization shapes the mutational landscape of cancer. Nature. 2015 Feb 19;518(7539):360-4. doi: 10.1038/nature14221.

Polak P, et al. Reduced local mutation density in regulatory DNA of cancer genomes is linked to DNA repair. Nat Biotechnol. 2014 Jan;32(1):71-5. doi: 10.1038/nbt.2778.