Variações do DNA Mitocondrial: Principais Atores no Desenvolvimento e Progressão do Câncer

As mutações dentro da sequência do DNA mitocondrial (mtDNA) são frequentemente observadas em tipos específicos de tumores. Existem duas categorias discerníveis de variantes de mtDNA associadas ao câncer: mutações de novo que atuam como "indutores" oncogénicos e variantes funcionais que servem como "adaptadores", permitindo que as células cancerígenas prosperem em ambientes diversos. Estas variantes de mtDNA originam-se de três fontes: variações genéticas hereditárias que ocorrem em famílias, mutações somáticas que ocorrem dentro de células individuais e variantes ligadas a linhagens antigas de mtDNA (haplogrupos) conhecidas pela sua adaptabilidade a condições organizacionais ou geográficas em mudança.

Além das variações na sequência de mtDNA, alterações nos números de cópias de mtDNA e a potencial transferência de sequências de mtDNA para o núcleo celular também podem contribuir para o desenvolvimento de certos cânceres. A importância funcional das variantes de mtDNA foi inequivocamente demonstrada em tumores de células eosinofílicas e câncer da próstata. Além disso, variantes de mtDNA foram relatadas em uma gama de outros tipos de câncer.

O papel fundamental do metabolismo mitocondrial no câncer é sustentado por modificações em genes mitocondriais codificados pelo DNA nuclear, que impactam a produção de espécies reativas de oxigénio mitocondrial, o estado redox e intermediários mitocondriais—substratos vitais para enzimas modificadoras da cromatina. Consequentemente, mesmo mudanças sutis no genótipo mitocondrial podem exercer efeitos profundos não apenas no núcleo celular, mas também nos processos de carcinogénese e progressão do câncer.

Variação do DNA Mitocondrial (mtDNA) e Seu Impacto no Metabolismo

A principal fonte de energia celular são as mitocôndrias, que geram trifosfato de adenosina (ATP). Este processo de produção de energia depende da presença de oxigénio e de uma fonte de carbono oxidável, como a glicose. À medida que a glicose passa por metabolismo para produzir água e dióxido de carbono, ATP é gerado simultaneamente, juntamente com vários intermediários de alta energia. A produção desses intermediários está intimamente ligada ao estado do genoma mitocondrial. Mutações oncogénicas dentro de genes mitocondriais podem perturbar as enzimas do ciclo do ácido tricarboxílico, levando a alterações nos níveis de metabolitos mitocondriais.

As variantes de DNA mitocondrial podem desempenhar papéis indutores e adaptativos na oncogénese. (Kopinski et al., 2021)

Clinicamente, existem três categorias principais de variantes de mtDNA relevantes.

• A primeira categoria abrange variantes herdadas pela mãe que se originam na linha germinativa feminina. Inicialmente, essas variantes surgem dentro de uma célula dominada por mtDNA normal, resultando em um citoplasma misto contendo tanto mtDNA variante quanto de referência, uma condição denominada heterozigosidade.
• Uma segunda classe de variantes de mtDNA clinicamente significativas surge em oócitos durante o desenvolvimento ou dentro de tecidos somáticos ao longo da vida de um indivíduo. Essas mutações incluem substituições de bases e deleções, acumulando-se com a idade e potencialmente contribuindo para o processo de envelhecimento biológico. As deleções podem levar a uma variedade de sintomas, dependendo da sua distribuição nos tecidos e do grau de heterogeneidade. Exemplos incluem a síndrome de Pearson, a síndrome de Kearns-Sayre e a paralisia oculomotora externa progressiva crónica.
• O terceiro grupo de variantes de mtDNA clinicamente relevantes consiste em variantes antigas que surgiram durante a migração humana, tanto na África quanto ao redor do mundo. Devido à sua origem antiga, essas variantes tornaram-se relativamente uniformes dentro de populações específicas. À medida que as pessoas migraram para novos ambientes geográficos, variantes funcionais vantajosas foram naturalmente selecionadas, dando origem a populações regionais distintas caracterizadas por conjuntos únicos de haplótipos de mtDNA, conhecidos como haplogrupos. Por exemplo, quando os humanos migraram da África para a Eurásia e as Américas, apenas dois haplótipos primários de mtDNA deixaram o continente africano. Gerações subsequentes adquiriram variantes adicionais à medida que se adaptaram ao seu novo ambiente.

Sequenciamento Abrangente de mtDNA Revelando Pistas Genéticas do Câncer

Através de uma análise meticulosa de dados de Sequenciamento de Exoma Completo (WES) e Sequenciamento de Genoma Completo (WGS) derivados do The Cancer Genome Atlas (TCGA), várias equipas de pesquisa descobriram potenciais correlações entre variantes de DNA mitocondrial (mtDNA) e câncer. Em essência, o critério principal utilizado para determinar a relevância dessas variantes de mtDNA para o câncer envolve sua presença dentro das amostras tumorais de pacientes em oposição aos seus tecidos normais adjacentes, conforme revelado pelo sequenciamento de mtDNA. Esta abordagem resultou em um número substancial de variantes candidatas de mtDNA com potenciais ligações ao câncer.

Mapa do mtDNA humano mostrando variantes representativas. (Kopinski et al., 2021)

No entanto, vale a pena notar que a patogenicidade dessas variantes de mtDNA associadas ao câncer não foi estabelecida de forma conclusiva na maioria dos estudos investigacionais extensivos e em numerosas investigações específicas de tumores, apesar das informações obtidas a partir do sequenciamento de mtDNA. Esta falta de evidência confirmatória deve-se, em parte, à relação complexa entre variantes de mtDNA e suas implicações biológicas, que podem variar significativamente dependendo de fatores como tipo de tecido, microambiente tumoral e genótipo do DNA nuclear (nDNA).

Os critérios para avaliar a patogenicidade de variantes específicas de mtDNA incluem a necessidade de observações independentes e replicadas dessas mutações dentro do ambiente tumoral, a demonstração de defeitos bioquímicos associados revelados através do sequenciamento de mtDNA, a transmissão de efeitos bioquímicos de uma célula para outra através do mtDNA e o estabelecimento dessas associações sem qualquer influência do nDNA ou fatores específicos da doença.

Até à data, as únicas mutações de mtDNA no câncer que passaram por tal escrutínio rigoroso, incluindo sequenciamento de mtDNA, são aquelas observadas em casos de câncer da próstata e tumores eosinofílicos.

Mutações de DNA Mitocondrial Associadas ao Tumor

Numerosos estudos investigaram a presença de variantes de DNA mitocondrial (mtDNA) em tipos específicos de tumores. Em certos casos, a carga cumulativa de variantes de mtDNA adquiridas serve como um potencial biomarcador para tumorigenicidade. Por exemplo, a deteção de mutações de mtDNA em células associadas ao câncer da próstata pode contribuir para um potencial tumorigenético aumentado. As mutações de mtDNA ligadas ao câncer da próstata frequentemente ocorrem em conjunto com eventos impulsionados por nucleossomos, enfatizando o papel fundamental das mutações de mtDNA como co-iniciadores no desenvolvimento do câncer. Além disso, há evidências emergentes sugerindo que mutações de mtDNA podem atuar como promotores tumorais no carcinoma de células císticas da tireoide, câncer de mama, câncer pancreático, malignidades ginecológicas, metástases de adenocarcinoma pulmonar e leucemia mieloide aguda. Em contraste, o papel das variantes de mtDNA parece ser de importância limitada no glioblastoma.

Mutações de Genes Mitocondriais e Regulação do Epigenoma do Câncer

A regulação da expressão gênica dentro do núcleo celular foi extensivamente estudada e é conhecida por envolver várias modificações epigenéticas do DNA e das histonas. Essas modificações estão intimamente ligadas aos metabolitos produzidos pelas mitocôndrias. A acetilação de histonas, por exemplo, depende da acetil coenzima A, uma molécula derivada do citrato. Este processo de acetilação pode ser revertido por sirtuínas dependentes de NAD. Por outro lado, a metilação de histonas e DNA depende de S-adenosilmetionina, que pode ser revertida por enzimas que utilizam α-cetoglutarato (α-KG) como substrato. Curiosamente, o α-KG em si pode ser inibido por succinato e fumarato. Além disso, um grupo significativo de proteínas de remodelação da cromatina opera de maneira dependente de ATP.

Notavelmente, mutações em genes responsáveis pela codificação de IDH1 e IDH2, que são enzimas que catalisam a conversão de isocitrato em α-KG, foram ligadas a vários cânceres, como gliomas, leucemias mieloides agudas e vários tumores sólidos. O α-KG serve como cofator para dioxygenases dependentes de α-KG, incluindo a demetilase de histona Jumonji C (JmjC) e a família de dioxygenases Ten-Eleven Translocation (TET), ambas desempenhando papéis fundamentais nos processos de desmetilação do DNA.

Biologia mitocondrial e metabolismo e sua relação com o epigenoma. (Kopinski et al., 2021)

Alterações Heterogéneas de mtDNA e Epigenoma Tumoral

Este conceito ganha substancial apoio através de uma análise comparativa dos padrões de metilação do DNA nuclear (nDNA) em diferentes linhas celulares: células de osteossarcoma 143B, células de câncer de mama MDA-MB-435 e células epiteliais mamárias permanentes MCA 12A, tanto com quanto sem mtDNA intacto. A perda de mtDNA precipita mudanças discerníveis nos perfis de metilação das ilhas CpG. Notavelmente, a reintrodução de mtDNA nessas células restaura parcialmente a metilação das ilhas CpG.

Além disso, um amostra tumoral extraída de um paciente afetado por carcinoma de células renais exibiu a presença da mutação m.3243A>G, G do mtDNA tRNALeu(UUR) (MT-TL1) dentro do tecido tumoral, com uma carga de mutação atingindo 89%. Em contraste, os rins do paciente continham aproximadamente 50% de mtDNA com a mutação m.3243A>G, G.

Referência:

1. Kopinski, Piotr K., et al. "Variação do DNA mitocondrial e câncer." Nature Reviews Cancer 21.7 (2021): 431-445.