Internship Report and Monography entitled“Epigenetic therapy applied to cancer – new challenges in biomedicine”

Abstract

Epigenetics comprises the study modifications in gene expression patterns that do not alter the primary DNA sequence, involving the reversible chemical modification of DNA, RNA and histones. Epigenetic changes are regulated by sets of enzymes that add or remove specific epigenetic markers and alter the expression of associated genes, producing an epigenetic code. Chromatin has several independent epigenetic mechanisms involved in modifying its structure, among which DNA methylation, post-translational modification of histones and non-coding RNAs. DNA methylation is an important regulator of gene expression and comprises the transfer of a methyl group to the fifth position carbon of the cytosine carbon ring, giving rise to 5-methylcytosine (5mC), through the DNMTs family of enzymes. One of the most relevant and most studied post-translational modifications is histone acetylation, which influences chromatin structure. The acetylation of histones consists of the addition of acetyl groups from Acetyl-Coenzyme A (acetyl-coA), to histone core and tails catalyzed by the histone acetyltransferase (HAT) family of enzymes. Epigenetics is influenced by externa factors, such as diet and metabolism, and, contrary to genetic abnormalities, epigenetic changes have a reversible character and can thus recover the function of the affected genes. A new trend in te molecular mechansims of disease is the identification of epigenetic patterns with specific diseases, such as the hypermethylation of DNA in cancer. Thus, understanding the impact that epigenetic mechanisms have on human diseases is crucial to succeeding in reversing or stabilizing the worsening of these diseases, namely cancer. Based on this knowledge, the great potential of epigenetic therapies and the development of drugs capable of modulating the epigenetic profile emerges. Among the drugs that act on the epigenetic machinery, the histone deacetylases inhibitors (HDACi), histone methyltransferases inhibitors (HMTi), acetyltransferases (HATi), demethylases (HDMi) and, finally, DNA methyltransferases inhibitors (DNMTi). Furthermore, resistance to chemotherapy is a limiting factor in anti-tumor therapies and, therefore, the combination of epigenetic drugs with classical anti-tumor therapies increases the probability of treatment success. Epigenetics is based on a promising therapeutic approach and with numerous application opportunities in different areas of clinical practice. In this work a general introduction to epigenetics and epigenetic mechanisms is followed by a more deeper revision concerning the use of epigenetic drugs in the case of cancer.

A epigenética compreende o estudo das modificações do DNA, RNA e de histonas com impacto na expressão genética que não alteram a sequência primária do DNA. As mudanças epigenéticas consistem, regra geral, na adição e remoção de grupos químicos (marcadores epigenéticos) de um modo regulado por famílias de enzimas que ao adicionar e remover os marcadores epigenéticos específicos alteram a expressão dos genes associados, produzindo um código epigenético. A cromatina apresenta vários mecanismos epigenéticos independentes envolvidos na modificação da sua estrutura, dos quais se destaca, por serem os mais bem estudados, a metilação do DNA, as modificações pós-translacionais de histonas e RNAs não codificantes. De facto, a metilação do DNA é um importante regulador da expressão genética e compreende a transferência de um grupo metilo para o carbono da quinta posição do anel de carbono de citosina, originando a 5-metilcitosina (5mC), por intermédio da família de enzimas, metiltransferases, DNMTs. Uma das modificações pós-translacionais mais relevante e mais estudada é a acetilação de histonas, que tem influência na estrutura da cromatina. A acetilação de histonas consiste na adição de grupos acetilo da Acetil-Coenzima A (acetil-coA) às caudas e “core” das histonas pela família de enzimas acetiltransferases das histonas (HAT). As modificações epigenéticas têm a particularidade de ser afetadas pelo ambiente, metabolismo e pela dieta e, contrariamente às anormalidades genéticas, as modificações epigenéticas têm um caráter reversível, benéfico ou não, podendo desta forma recuperar-se a função/expressão dos genes afetados. Um dos desenvolvimentos mais recentes no âmbito da saúde , diz respeito à caracterização de padrões de modificações epigenéticas associadas a doenças específicas, como por exemplo a hipermetilação do DNA no caso do cancro. Assim, a compreensão do impacto que os mecanismos epigenéticos têm nas doenças humanas, é crucial para conseguir reverter ou estabilizar o agravamento destas doenças, nomeadamente do cancro. Com base neste conhecimento baseia-se o grande potencial das terapias epigenéticas e o desenvolvimento de fármacos capazes de modular o perfil epigenético. Dentro dos fármacos que atuam na maquinaria epigenética citam-se os inibidores das histonas desacetilases (iHDAC), inibidores das histonas metiltransferases (iHMTs), das acetiltransferases (iHATs), das desmetilases (iHDMs) e, por fim, os inibidores das DNA metiltransferases (iDNMTs).Ademais, a resistência à quimioterapia é um fator limitante nas terapias antitumorais e desta forma, a combinação de fármacos epigenéticos com as terapias clássicas anti-tumorais, aumentam a probabilidade de êxito do tratamento. A epigenética assenta numa abordagem terapêutica promissora e com inúmeras oportunidades de aplicações em diversas áreas da prática clínica. Neste trabalho farei, inicialmente, uma abordagem genérica da epigenética para, depois, e dada a novidade e impacto na saúde humana, concentrar a atenção em mecanismos relacionados com fármacos epigenéticos.