Il cancro (dal greco kàrkinos = granchio) è un insieme molto complesso ed eterogeneo di malattie, ma tutte le cellule cancerose sono caratterizzate dalla perdita di controllo della crescita (proliferazione eccessiva) e dall’acquisizione della capacità di invadere altri organi o tessuti, talvolta distanti dalla massa tumorale da cui sono derivate (metastasi)

Cellule tumorali cellule che hanno perso il controllo della crescita ed hanno acquisito la capacità di moltiplicarsi senza limiti

Tumore benigno NON ha la capacità di invadere altri tessuti e di dare metastasi

Tumore maligno o cancro ha proprietà invasive (e metastatizzanti). Le cellule cancerose conservano parte delle caratteristiche funzionali del tessuto da cui derivano

Le cellule di tumore maligni hanno acquisito alcune caratteristiche fondamentali:

1. Indipendenza da segnali di crescita esterni

2. Insensibilità a segnali antiproliferativi esterni

3. Capacità di evitare l’apoptosi4. Capacità di replicazione indefinita5. Capacità di stimolare angiogenesi e

vascolarizzazione6. Capacità di invadere altri tessuti

Figure 3.7a The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

Il cancro è una malattia genetica la

proliferazione cellulare è sotto

controllo genetico mutazioni

(somatiche) di geni che controllano

questo complesso processo possono

trasformare una cellula normale in

una cellula tumorale

Solo una piccola frazione dei casi di

cancro è rappresentata da malattie

genetiche in senso classico

I possibili destini

evolutivi di una cellula

Il destino evolutivo di una cellula è sotto il controllo

di numerosi fattori che possiamo MOLTO

schematicamente suddividere in STIMOLATORI e

INIBITORI

Bilanciamento tra proliferazione e

maturazione

Segnali stimolatori

Segnali inibitori

Aumento non regolato dei

segnali stimolatori proliferazione incontrollata

Perdita dei segnali inibitori

proliferazione incontrollata

Il cancro può essere considerato una malattia dell’invecchiamento: la probabilità di contrarre il cancro

aumenta in maniera esponenziale con l’aumentare dell’età

Motivi:

•Accumulo di mutazioni

•Minore efficienza dei sistemi di

controllo

Il cancro è fondamentalmente una

malattia dell’età post-riproduttiva

per cui la pressione selettiva contro

di esso è molto bassa

una sola MUTAZIONE non può convertire

una cellula somatica normale in una

cellula malignaNella maggior parte dei casi per

convertire una cellula normale in

un carcinoma invasivo sono

necessarie 6-7 MUTAZIONI

INDIPENDENTI

La probabilità teorica che ciò si

verifichi è quindi

estremamente bassa: 1013

numero di cellule; 10-5-10-6 rate

di mutazione per cellula

Quali meccanismi rendono,

non solo possibile, ma anche

relativamente frequente il

verificarsi di un evento

teoricamente molto

improbabile?

Alcune mutazioni aumentano la

proliferazione cellulare e forniscono in tal

modo un vantaggio selettivo alla cellula

in cui si è verificata una popolazione di

cellule target per la successiva mutazione

Alcune mutazioni interessano geni

coinvolti nel mantenimento della

stabilità dell’intero genoma, sia a

livello di DNA che di cromosomi. In

tal modo, aumenta il tasso di

mutazione complessivo (quindi

anche quello dei geni più

direttamente responsabili del

fenotipo tumorale)

1919 scoperta del primo virus oncogeno

anni ‘60 individuazione del gene virale (v-onc) responsabile dell’induzione del tumore

1976 dimostrazione che nel genoma di cellule normali (anche in quello di cellule che non sono mai state a contatto con il virus) sono presenti geni omologhi ai v-onc

Questi geni sono stati chiamati c-onc (= oncogeni cellulari) o proto-oncogeni, mostrano un’elevata conservazione evolutiva e sono espressi da cellule normali svolgono funzioni essenziali

I proto-oncogeni quali funzioni svolgono normalmente?

Classe eterogenea di geni che codificano per segnali STIMOLATORI

del ciclo cellulare, comprendono:

1.Fattori di crescita2.Recettori di membrana per fattori di

crescita3.Proteine coinvolte nella trasduzione del

segnale4.Fattori di trascrizione in grado di legarsi

al DNA5.Cicline, chinasi ciclino-dipendenti e loro

inibitori e attivatori (= regolatori del ciclo cellulare)

FUNZIONI DEI PROTO-ONCOGENI CELLULARI

Meccanismo di attivazione dei recettori per fattori di crescita

Le proteine RAS

Guanine nucleotideExchange Factors

GTPase ActivatingProteins

Modificata da The Biology of Cancer, Garland Science, 2006

Proto-oncogeni

Quali tipi di mutazioni trasformano un proto-oncogene in oncogene?

Le mutazioni oncogeniche sono mutazioni del tipo ‘acquisizione di funzione’ di varia natura e generalmente sono dominanti:

1.Mutazioni puntiformi che cambiano le proprietà della proteina codificata

2.Amplificazione genica (anche centinaia di copie)

3.Traslocazioni di segmenti cromosomici che portano il proto-oncogene in regioni trascrizionalmente attive

4.Traslocazioni cromosomiche che creano geni chimerici

Mutazioni che trasformano un proto-oncogene in oncogene (mutazioni

oncogèniche)

Figure 5.12a The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

Mutazioni che trasformano un proto-oncogene in oncogene:

mutazioni puntiformi in sequenze codificanti

Singola Sostituzio

ne Nucleotidi

ca MisSense

Delezione parziale

Traslocazione 9-22(q34;q11) formazione del cromosoma

Philadelphia (leucemia mieloide cronica): creazione di un gene chimerico

Il cromosoma Philadelphia è un piccolo cromosoma acrocentrico presente nel 90% dei pazienti affetti da leucemia mieloide cronica

Il gene di fusione BCR/ABL produce una proteina simile a quella prodotta da ABL, ma costitutivamente attiva

Traslocazione 8-14(q24;q32), presente nell’80-85% dei pazienti affetti da linfoma di Burkitt

Il restante 15-20% dei pazienti presenta la traslocazione 2-8(q11;q24) o la 8-22(q24;q11)

Sul cromosoma 8 (nella regione q24) si trova l’oncogene MYC, sui cromosomi 14, 2 e 22 si trovano i geni per le catene pesanti e leggere delle immunoglobuline, cioè geni espressi a livelli molto elevati nei linfociti B

MYC, traslocato in una regione trascrizionalmente attiva, viene sovraespresso

Traslocazione di un oncogene in un dominio trascrizionalmente attivo

L’altra categoria di geni coinvolti nella trasformazione tumorale è quella dei geni soppressori di tumore (geni TS = Tumor Suppressor)

La loro esistenza è stata ipotizzata sulla base di:

1.Esperimenti di fusione in vitro tra cellule normali e cellule tumorali talvolta si ha la correzione del fenotipo trasformato e restaurazione di un fenotipo normale;

2.Esistenza di tumori caratterizzati da piccole specifiche delezioni in omozigosi;

3.Studi sulle rare forme di tumori ereditari

1971 studi di Knudson sul Retinoblastoma

Raro tumore infantile dei retinoblasti (ca. 1/20000 nati)

60% forme sporadiche, unilaterali e monofocali età di insorgenza media: 29 mesi

40% forme ereditarie, trasmissione AD a penetranza incompleta ma comunque molto elevata, bilaterali e multifocali, età di insorgenza media: 15 mesi

IPOTESI DEI DUE COLPI

Il tumore insorge quando entrambe le copie del gene Rb subiscono una mutazione inattivante

Nei casi sporadici devono verificarsi 2 eventi mutazionali nello ‘stesso’ retinoblasto

Nei casi ereditari TUTTE le cellule sono portatrici di una mutazione a carico di Rb, è quindi sufficiente 1 solo evento mutazionale (a carico del secondo allele)

no. retinoblasti ca. 106, tasso mutazione per gene per cellula ca. 10-5

Retinoblastoma bilaterale

Rischio più elevato di avere altri tipi tumori

Insorgenza precoce

Retinoblastoma unilaterale

Non aumenta il rischio di avere altri tumori

Insorgenza più tardiva

Meccanismi mutazionali responsabili del ‘secondo colpo’ (studi su casi di

tumore ereditari)

Il secondo colpo può essere anche rappresentato da ipermetilazione del promotore o di altre regioni di controllo

dell’espressione genica

Il gene RB1 è espresso in molti altri tessuti oltre alla retina, ma la perdita di RB1 è in

grado di “iniziare” tumori precoci solo nella retina e, più tardi nella vita, in pochi altri siti

secondari (sarcomi, fibrosarcomi e melanomi)Il prodotto del gene RB1 è la proteina p110 Rb1

(110 kDa): è una fosfoproteina che viene ipo- (forma attiva) o iperfosforilata nei diversi stadi del ciclo cellulare ed ha un’importanza cruciale

nel punto di controllo G1-S

Il gene RB1 è localizzato sul cromosoma 13 e, in una piccola percentuale di pazienti, la

mutazione ereditaria è dovuta ad una delezione o a una traslocazione di questa

porzione del cromosoma

Lo studio di altri tipi di tumori ereditari ha portato all’identificazione di numerosi

geni TS

Qual è normalmente la funzione dei geni TS ?Classe molto eterogenea, producono fattori

INIBITORI del ciclo cellulari o fattori pro-apoptotici o fattori coinvolti nel mantenimento della stabilità del genoma:

- geni direttamente coinvolti nella regolazione del ciclo cellulare; es. RB1 (p110); TP53 (p53)

- geni coinvolti nella inibizione della crescita da contatto cellula-cellula; es. NF2 (Nf2)

- geni coinvolti nella riparazione dei danni al DNA e nel mantenimento della integrità genomica; es. BRCA1 e BRCA2 (Brca1 e Brca2); MLH1 e MLH2 (Mlh1 e Mlh2)

Due punti di controllo principali: G1-S e G2-M

(G0)

I principali geni TS:

RB1 produce la proteina pRB, è espresso in tutti i tessuti. La forma attiva è defosforilata e blocca la trascrizione di E2F1 gene fondamentale per il passaggio G1-S. La sua inattivazione (tramite fosforilazione) è finemente regolata da una complessa rete di cicline e di chinasi ciclina-dipendenti e consente alla cellula di entrare in fase S

Mutazioni di RB1 sono coinvolte principalmente in tumori delle ossa e nel retinoblastoma

TP53 produce la proteina p53 che svolge numerose funzioni. E’ stato definito ‘guardiano del genoma’, è fortemente coinvolta nel checkpoint G1-S blocca le cellule con un DNA danneggiato consentendo la riparazione del danno o inducendo la cellula ad andare in apoptosi

Le mutazioni di TP53 costituiscono probabilmente il più frequente singolo cambiamento genetico coinvolto nella trasformazione tumorale

Mutazioni germinali di TP53 sono responsabili della Sindrome di Li-Fraumeni (trasmissione AD, tumori multipli)

CDKN2A codifica per 2 proteine strutturalmente non correlate

p16 (o INK4A) agisce a monte di RB1: inattiva le chinasi che fosforilano pRB (forma inattiva). La sua assenza causa quindi, indirettamente, un aumento della fosforilazione di pRB, cioè della sua forma inattiva

p14 (o ARF) blocca il gene MDM2 che, a sua volta, blocca p53 (la lega e la degrada); quindi l’assenza di p14 causa, in maniera indiretta , la diminuzione di p53

Proliferazione e differenziamento cellulare sono sotto stretto controllo genetico, i geni coinvolti sono numerosi così come le vie di controllo che sono oltre tutto interconnesse e parzialmente ridondanti. Alcuni geni (e alcune vie) sono espressi in modo specifico in uno o pochi tipi cellulari, mentre altri hanno un’espressione sostanzialmente ubiquitaria.

L’interruzione di una determinata via potrebbe avere effetti diversi in tipi cellulari diversi e indurre l’attivazione di una via alternativa solo in un determinato tessuto.

Il destino evolutivo di una cellula è determinato

da una complessa

rete di interazioni parzialmente ridondanti

E’ estremamente difficile prevedere le conseguenze che specifiche mutazioni possono

avere in specifici tessuti