BRCA1 Y BRCA2: MUTACIONES Y CÁNCER

Noelia Ares Bóveda, Belén Asenjo Lajusticia e Irene Cañadilla González. Biología Sanitaria. Universidad de Alcalá.

Poco sabía Mary-Claire King en 1994 que su descubrimiento revolucionaría la biología molecular del cáncer: el gen BRCA1 que, junto con el gen BRCA2 descubierto un año después, abrió la puerta a la investigación de diferentes tipos de cáncer y su enfoque en clínica. 

Estos dos genes juegan un papel fundamental en el mantenimiento de la estabilidad del genoma. Ante su pérdida de funcionalidad, falta o mutación, pueden conducir a fenómenos de tumorigénesis, además de otras patologías como la anemia de Fanconi. 

Sin embargo, no toda mutación implica riesgo de aparición de tumores, y aquí subyace la complejidad de su estudio. 

¿Cómo son estos genes y cómo funcionan? ¿En qué tipos de cáncer están implicados? ¿Qué aproximaciones terapéuticas existen a día de hoy?

FUNCIÓN Y ESTRUCTURA

BRCA1/2 (Breast Cancer Genes) son genes supresores de tumores que juegan un papel fundamental en el mantenimiento de la estabilidad genómica. Cuando se producen roturas en la doble hebra de DNA (DSB), ocasionando así una interrupción en la lectura del mismo, entran en juego estos genes: las proteínas que codifican llevan a cabo el proceso de recombinación homóloga (HR), uno de los mecanismos de reparación fundamentales que tienen lugar en la fase S del ciclo celular.

La inactividad de estos genes desencadenaría una recombinación homóloga defectiva que en último término podría desembocar en una predisposición al tumor, especialmente en la mama. 

Figura 1: se ilustra el papel supresor de tumores de BRCA1/2 cuando se encuentra activo, mientras que ante su pérdida de funcionalidad se genera una predisposición a la formación de tumores. Created with BioRender.com.

A pesar de tener una función similar, BRCA1 y BRCA2 presentan diferencias en cuanto a su biología molecular, sus interacciones con proteínas y su relación con el cáncer.

BRCA1

El gen BRCA1 se sitúa en el brazo largo del cromosoma 17 (17q21), y fue descubierto e identificado en 1994. Este gen codifica la proteína BRCA1 supresora de tumores (1863 aminoácidos).

En la proteína BRCA1 encontramos tres clusters asociados al cáncer de mama (BCCR: “Breast Cancer Cluster” Region) y un único cluster asociado al cáncer de ovario (OCCR: “Ovarian Cancer Cluster” Region). Mutaciones en estas regiones aumentan la posibilidad del desarrollo de un cáncer en dichos tejidos específicos.

Figura 2: estructura de la proteína BRCA1 (dominios, clusters) y las proteínas con las que interacciona señaladas con un recuadro. Extraída de la referencia [1].

Esta proteína presenta en su extremo N-terminal un dominio RING rico en cisteína con el que interacciona con la proteína BARD1. Así forma un complejo BRCA1-BARD1 que tiene actividad ubiquitina ligasa. En caso de que haya una mutación en el dominio RING de la proteína BRCA1, esta no podrá unirse a BARD1 y por tanto, se perderá la función ubiquitina ligasa, pudiendo suponer una predisposición al desarrollo de cáncer. 

En su extremo C-terminal presenta el dominio BRCT, que interacciona con la RNA polimerasa II relacionada con el proceso de transcripción. Además, este dominio interactúa con tres proteínas: Abraxas, BACH1, CtIP; estas uniones permitirán la formación de tres complejos distintos implicados en la reparación de DSBs:

• La proteína BRCA1 se asocia a las Abraxas a través de RAP80, y cuando hay un daño en el DNA este complejo interacciona con las histonas dañadas.
• El complejo BRCA1-BACH1 participa en la recombinación homóloga. La proteína BACH1 también es conocida como BRIP1 y tiene función helicasa. 
• La proteína CtIP unida a BRCA1 forma un complejo encargado de la resección de DSBs en pasos tempranos de la reparación.

Figura 3: esquema en el que se ilustran las interacciones de diferentes proteínas con BRCA1 y las funciones de los complejos mencionados. Created with BioRender.com.

BRCA2

El gen BRCA2 se encuentra en el cromosoma 13 (13q12), y fue descubierto e identificado en 1995. Este gen codifica la proteína BRCA2 supresora de tumores, menos conocida pero de mayor tamaño que la codificada por BRCA1 (3418 aminoácidos).

La proteína ácida pequeña DSS1 se une a una región de la proteína BRCA2, formando un complejo proteico que se asociará a las zonas dañadas de DNA.  

La proteína BRCA2 presenta unas repeticiones BRC que permitirán la unión directa a RAD51, una enzima de recombinación necesaria en el proceso. El complejo formado por las dos proteínas juega un papel importante en el reconocimiento de DSBs y el inicio de la recombinación. 

Los clusters ya mencionados localizados en la proteína BRCA1 también se encuentran en la proteína BRCA2.

Figura 4: esquema de la proteína BRCA2, se pueden observar los cluster (BCCR y OCCR). Extraído de referencia [2].

Además, se ha demostrado que el gen BRCA2 tiene un papel fundamental en la citocinesis, ya que mutaciones en este gen conllevan anomalías cromosómicas.

Figura 5: ilustra la unión de las proteínas RAD51 y DSS1 a la proteína BRCA2, así como las interacciones de sus estructuras moleculares (PDB: 1N0W y PDB: 1IYJ). Created with BioRender.com and Chimera.

CONEXIÓN ENTRE BRCA1 Y BRCA2: PALB2

Pero, ¿de qué manera se conectan las proteínas codificadas por BRCA1 y BRCA2? Esto es posible gracias a la proteína PALB2 (Partner And Localizer of BRCA2). La interacción entre las tres proteínas ocurre de la siguiente forma, tal y como se ilustra en el esquema:

• El extremo N-terminal coiled-coil de PALB2 interacciona con el dominio coiled-coil de BRCA1.
• El extremo N-terminal de BRCA2 se conecta con el extremo C-terminal de PALB2.

Esto daría lugar a la formación del complejo BRCA1-PALB2-BRCA2 el cual es esencial para la recombinación homóloga, así como la activación y mantenimiento del punto de control G2/M del ciclo celular.

PALB2 es susceptible a sufrir mutaciones que podrían conducir a la pérdida de estabilidad genómica y, en consecuencia, un posible desarrollo de cáncer.

Figura 6: se ilustran las regiones de la proteína PALB2 (Partner And Localizer of BRCA2) con las que interaccionan las proteínas BRCA1 y BRCA2, formando el complejo BRCA1-PALB2-BRCA2. Además, se puede observar la interacción ya mencionada de BRCA1 con la proteína BRIP1 (también conocida como BACH1). Esquema extraído de referencia [5].

RELACIÓN CON p53

Se cree que la proteína producto del gen BRCA1 lleva a cabo su función mediante la formación de grandes complejos. En estos complejos participan diversas proteínas, entre las cuales se encuentra la p53, que juega un papel crucial en el mantenimiento de la integridad genómica por su función supresora de tumores.

En muchos de los tipos de cáncer debidos a mutaciones de los genes BRCA, se ha visto que ha habido interrupciones en la relación entre algunos componentes de estos complejos, provocando que la función de los genes BRCA se vea alterada y por tanto se inhiba la supresión del tumor, dando como resultado la aparición de cáncer.

Figura 7: alteraciones en el complejo proteico en el que intervienen BRCA1/2 y p53 pueden conducir a la formación de un tumor, al inhibirse su supresión. Created with BioRender.com. 

Por ejemplo, el complejo BRCA1-BARD1 está implicado en la activación de ciertos puntos de control del ciclo celular. Estas tareas complementarias de BRCA1 en los puntos de control y su rol estabilizador de p53 podrían ayudar en su función de mantenimiento de la estabilidad genómica.  

Muchos estudios sugieren que en la formación del tumor existe una estrecha relación entre la pérdida de función de BRCA1/2 y la pérdida de función de la p53. 

Se cree que la rotura de la molécula de DNA (debida a esa falta de funcionalidad de BRCA) hace que se activen puntos de control dependientes de p53 y/o apoptosis para evitar la tumorigénesis.

MUTACIONES Y CÁNCER

Cuando consultamos la página web del BRCA Exchange, una iniciativa internacional de la Global Alliance for Genomics and Health, encontramos a mes de febrero de 2021 un total de 40389 variantes de estos genes, clasificadas según su significado en clínica en cuanto a su patogenicidad (una escala de patogénico a benigno o sin significado clínico).

Esta cifra nos ilustra uno de los desafíos y la complejidad que supone el estudio de BRCA1 y BRCA2: no todas las mutaciones implican cáncer. 

Las mutaciones en BRCA1/2 implicadas en tumorigénesis generalmente afectan a la mama y al ovario. Pero, ¿a qué se debe el tropismo por estos tejidos?

Ambos tienen gran susceptibilidad a sufrir estimulación hormonal por señales fuertes de crecimiento. La enzima aromatasa está implicada en la síntesis de estrógenos y está regulada negativamente por el gen BRCA1. Además, se ha observado un incremento de los niveles de estrógenos en sangre en personas portadoras de mutaciones en BRCA1, así como de progesterona. Por ello, actualmente se encuentra en estudio la correlación entre niveles hormonales y la predisposición a tumores cuando BRCA1 se encuentra mutado. 

Además, en menor medida estas mutaciones están relacionadas con el cáncer de páncreas, entre otros. 

CÁNCER DE MAMA

Tal y como nos sugiere su nombre, estos genes están asociados con el desarrollo de cáncer de mama, de manera que el riesgo de padecer este tipo de cáncer a lo largo de la vida cuando se produce una pérdida de funcionalidad de BRCA2 es del 45%, mientras que cuando se trata del gen BRCA1 alcanza el 57%.

Un aspecto a remarcar en el desarrollo del cáncer de mama es la importancia de la predisposición genética: cuando se estudian casos de esta enfermedad debidos a la herencia de una mutación, entre todos los genes de susceptibilidad al cáncer de mama descritos, la mayoría de estas mutaciones se han encontrado en BRCA1 y BRCA2.

A modo de curiosidad, en un estudio se ha observado que la expresión tanto de BRCA1 como de BRCA2 es menor en trabajadores a turnos (incluyen jornadas laborales nocturnas) que en trabajadores en turno de día y, además, cuanto mayor es el número de noches trabajadas por mes, menor es la expresión de los genes. Estos resultados llevaron a algunos autores a proponer que esta podría ser la causa de que la alteración del ritmo circadiano pueda conducir a un incremento del riesgo de desarrollo de cáncer de mama (tal y como han comprobado diferentes estudios), y a plantear que los genes BRCA podrían incluirse dentro de los conocidos como “clock-controlled genes”. 

CÁNCER DE OVARIO

El ovario, junto a la mama, es uno de los órganos más afectados por las mutaciones en los genes BRCA. Se piensa que esto puede deberse al estrés oxidativo derivado de los ciclos menstruales, así como al papel de la regulación hormonal (especialmente por estrógenos).

Por ello, la alta predisposición en estos tejidos a sufrir daños en su DNA implica la importancia de los mecanismos de reparación en los que intervienen los genes BRCA. Las mutaciones en el gen BRCA1 suponen un aumento del 11% en el riesgo de sufrir cáncer de ovario y un 40% en el caso de pérdida de funcionalidad del gen BRCA2. 

Figura 8: created with BioRender.com.

CÁNCER DE PÁNCREAS

Se trata del tercer tipo de cáncer más común asociado a la mutación de BRCA. 

Se caracteriza por tener una alta letalidad, debido potencialmente a que presenta una gran resistencia hacia los tratamientos. 

Sólo un pequeño porcentaje de pacientes con cáncer de páncreas presenta mutaciones germinales en BRCA1/2 (aproximadamente el 7%). Por tanto, el cáncer de páncreas causado por mutaciones en BRCA1/2 es poco común; y cabe destacar que presenta una “ventaja” ya que al poseer características biológicas únicas (diferentes a las del cáncer de páncreas común) se pueden crear tratamientos específicos.

Las mutaciones en BRCA1 o en BRCA2 aumentan de manera diferente el riesgo de padecer cáncer de páncreas: si es BRCA2 el afectado, el riesgo de padecer la enfermedad aumenta mucho más que si se trata de mutaciones de BRCA1.

TERAPIAS INNOVADORAS

INHIBIDORES DE PARP (PARPi)

Los inhibidores de PARP (PARPi) se han usado en tratamientos de cáncer  en pacientes sensibles a quimioterapia con platino.

PARP (Poli-ADP-ribosa polimerasa) es una enzima con papel fundamental en el reclutamiento del complejo proteico encargado de restaurar los daños del DNA. Las proteínas BRCA, entre otras, forman parte de estos complejos.

Como ya se ha tratado, una mutación en los genes BRCA resultaría en la transcripción de las proteínas BRCA1 y BRCA2 con una pérdida de funcionalidad y por consecuente, una errónea reparación. 

Figura 9: participación de PARP en la formación del complejo proteico. Created with BioRender.com.

Este tratamiento basado en el uso de inhibidores de PARP consiste en la “captura” (PARP-trapping) de esta enzima. Esto ocasiona la inhibición de los mecanismos de reparación, ya que en caso de que se produjese una mutación en BRCA1/2, la reparación errónea podría conducir a la formación de tumores. De esta forma, al no actuar los mecanismos de reparación, se activa la apoptosis celular y esas células morirían.

Figura 10: esquema ilustrativo de la función de PARPi. Created with BioRender.com.

TERAPIAS BASADAS EN G-CUADRUPLEXOS

Un enfoque terapéutico de gran interés actualmente para tumores en los que el gen BRCA2 se ve implicado se centra en los G-cuadruplexos, unas estructuras formadas por tres láminas de tétradas de guanina unidas por apareamientos de Hogsteen y estabilizadas por un catión metálico. Podemos encontrar estas estructuras al final de las secuencias teloméricas, interfiriendo con su replicación, y se ha observado que BRCA2, entre otras proteínas, interviene en la replicación de los telómeros (de forma que estos no se acortan). 

En trabajos experimentales se ha demostrado que tratamientos de células con pérdida de funcionalidad de BRCA2 con compuestos estabilizadores de G-cuadruplexos disminuye la viabilidad de las mismas, conduciendo de alguna manera a un aumento de la letalidad específica al incrementar la fragilidad de los telómeros. Concretamente, se utilizó la piridostatina (PDS). Otro aspecto que genera interés de este trabajo es que también afecta a aquellas células con pérdida de funcionalidad de BRCA2 que muestran resistencia a los tratamientos con inhibidores de PARP ya mencionados.

Figura 11: en este gráfico se representa un descenso de la viabilidad de las células deficientes en BRCA2 (línea roja) cuando son tratadas con piridostatina (PDS), un estabilizador de G-cuadruplexos. Extraído de los resultados de la referencia [13].

Además, otro compuesto estabilizador de G-cuadruplexos conocido como CX-5461 entró en 2016 en fase I de ensayo clínico para el tratamiento de tumores relacionados con el gen BRCA. 

Con BRCA1 y BRCA2 surgió una nueva manera de concebir el estudio del genoma y el cáncer: pocas décadas atrás existía cierto rechazo en el campo de la ciencia a vincular la aparición de tumores a cambios en el material genético; pero esto cambió con este descubrimiento que tuvo gran impacto en la investigación contra el cáncer.

REFERENCIAS

[1] Takaoka, M. and Miki, Y. (2018) ‘BRCA1 gene: function and deficiency’, International Journal of Clinical Oncology. Springer Japan, 23(1), pp. 36–44. doi: 10.1007/s10147-017-1182-2.

[2] Venkitaraman, A. R. (2019) ‘How do mutations affecting the breast cancer genes BRCA1 and BRCA2 cause cancer susceptibility?’, DNA Repair. Elsevier, 81(July), p. 102668. doi: 10.1016/j.dnarep.2019.102668.

[3] Semmler, L., Reiter-Brennan, C. and Klein, A. (2019) ‘BRCA1 and breast cancer: A review of the underlying mechanisms resulting in the tissue-specific tumorigenesis in mutation carriers’, Journal of Breast Cancer, 22(1), pp. 1–14. doi: 10.4048/jbc.2019.22.e6.

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[13] Zimmer, J., Tacconi, E. M. C., Folio, C., Badie, S., Porru, M., Klare, K., Tumiati, M., Markkanen, E., Halder, S., Ryan, A., Jackson, S. P., Ramadan, K., Kuznetsov, S. G., Biroccio, A., Sale, J. E. and Tarsounas, M. (2016) ‘Targeting BRCA1 and BRCA2 Deficiencies with G-Quadruplex-Interacting Compounds’, Molecular Cell. The Authors, 61(3), pp. 449–460. doi: 10.1016/j.molcel.2015.12.004.

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[15] Mittica, G., Ghisoni, E., Giannone, G., Genta, S., Aglietta, M. and Valabrega,G. (2018) ‘PARP Inhibitors in Ovarian Cancer’, Recent Patents on Anti-Cancer Drug Discovery, 13(4), pp. 392–410. doi: 10.2174/1574892813666180305165256.

[16] Neff, R. T., Senter, L., Salani, R. (2018) ‘BRCA mutation in ovarian cancer: testing, implications and treatment considerations’, Therapeutic Advances in Vaccines, 9(6), pp. 259–261. doi: 10.1177/https.

[17] Venkitaraman, A. R. (2002) ‘Cancer susceptibility and the functions of BRCA1 and BRCA2’, Cell, 108(2), pp. 171–182. doi: 10.1016/S0092-8674(02)00615-3.