La genetica dei tumori L - PowerPoint Presentation

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La genetica

dei tumori

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L

’

aumento dei casi di

CANCRO

nel

XX

secolo,

è una conseguenza di vari fattori:

- la diminuzione delle malattie infettive

- l

’

allungamento della vita

- l

’

aumento degli inquinanti ambientali

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È considerata cancerosa una cellula che ha perso il controllo della sua crescita

L

’

origine del cancro è CLONALE (si origina cioè da una SINGOLA CELLULA) -> si tratta di una cellula SOMATICA che ha accumulato MUTAZIONI in diversi geni che provocano la perdita del CONTROLLO DELLA PROLIFERAZIONE CELLULARE

Alcuni tumori continuano a crescere nel sito di origine, altri producono cellule che migrano in altri siti e generano tumori secondari (METASTASI)

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Un tipo di cancro viene di solito classificato secondo il suo sito di insorgenza iniziale (primario):

85% sono

carcinomi

e si orginano da cellule che costituiscono organi e tessutiI tipi di cancro dei tessuti ghiandolari si dicono adenocarcinomi e quelli delle cellule non neuronali dell’encefalo sono i gliomi

e astrocitomi.2% sono sarcomi che si originano da cellule del tessuto connettivo, osseo, muscolare5% sono linfomi che si originano da leucociti della milza e dei linfonodi3% sono leucemie che si originano da leucociti del sangueI mielomi sono i tumori delle cellule plasmatiche

Sono state

identificate

finora più di 200 tipi di sindromi cancerose che interessano quasi tutti i tipi di cellule, tessuti e organi

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Relazione tra età e frequenza di tumori

La frequenza di molti tumori aumenta esponenzialmente con l

’

età. Riportando la frequenza dei tumori in funzione dell

’età dei pazienti, la relazione risulta LINEARE

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Un cambio nel DNA di una sola cellula è responsabile dell

’

insorgenza del tumore (

origine monoclonale)

L’origine CLONALE di un tumore è stata proposta a seguito di alcune osservazioni:Femmine con vari tipi di tumori ed eterozigoti per i due alleli della G6PD, nelle loro cellule esprimono solo uno dei due alleli

2) In alcune LEUCEMIE MIELOIDI compare sempre un cromosoma 22 più piccolo -> chiamato

cromosoma Philadelphia.

Questa particolare anomalia è riscontrata in tutte le cellule tumorali del soggetto che presenta la leucemia

Un tumore deriva

da divisioni ripetute

di un

’

unica cellula mutante che ha perduto

la regolazione della crescita

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La continua proliferazione delle cellule TRASFORMATE di un clone porta ad accumulo di ANOMALIE CROMOSOMICHE:

cromosomi aggiuntivi, mancanti, delezioni, duplicazioni e traslocazioni.

Le anomalie cromosomiche, riscontrate nelle cellule cancerose dello stesso individuo o tra individui che presentano lo stesso tipo di cancro, possono essere diverse. L

’accumulo di anomalie cromosomiche è chiaramente una conseguenza della divisione cellulare incontrollata

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È stata necessaria la convergenza di vari approcci per porre le basi per la comprensione delle

BASI MOLECOLARI DEL CANCRO

:analisi citogenetiche per le leucemie nell’uomo studi su forme di cancro indotte da retrovirus in roditori e altri animali tecniche del DNA ricombinante

Era noto già all’inizio del XX secolo che nelle cellule cancerose erano presenti delle ANOMALIE CROMOSOMICHE.Alcuni però sostenevano che sia la perdita di cromosomi che le anomalie strutturali fossero le conseguenze del cancro.Altri ipotizzavano che ne fossero la causa.

Questi aspetti sono stati chiariti negli anni ‘70

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A parte l

’

elevato numero di anomalie cromosomiche casuali che si ritrovano nelle cellule cancerose, un piccolo numero di

ABERRAZIONI CROMOSOMICHE si ritrovano regolarmente in alcuni tipi di tumore, in particolare nelle leucemie. Un esempio è la Leucemia Mieloide Cronica (CML) che risulta frequentemente associata all’apparente

delezione del braccio lungo del cromosoma 22. Il cromosoma 22 anomalo in questa malattia è stato denominato cromosoma “

Philadelphia

”

Il cromosoma Philadelphia in realtà è il prodotto di una traslocazione reciproca tra il cromosoma 22 e il cromosoma 9 oppure il cromosoma 8

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Studi sui cariotipi di cellule tumorali rivelarono che alcune forme di cancro avevano

LE STESSE ABERRAZIONI CROMOSOMICHE.

L’esempio più impressionante era offerto proprio dalla Leucemia Mieloide Cronica (CML) in cui più del 90% dei pazienti avevano una traslocazione tra i cromosomi 9 e 22 oppure 8 e 22 ( cromosoma precedentemente denominato Philadelphia).

Anche in altre leucemie furono osservate specifiche traslocazioni ma non nella misura del cromosoma Philadelphia nei pazienti con CML

Associazione tra traslocazioni cromosomiche e leucemie umane

Leucemia Traslocazione cromosomica

L

’

associazione di specifiche anomalie cromosomiche a specifiche forme di cancro indicava un

’

associazione di

causa-effetto

.

Non si sapeva però

quali geni

fossero alterati o deregolati dalle varie traslocazioni

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I ricercatori sapevano da anni che numerosi virus, sia a DNA che ad RNA, specie-specifici potevano causare forme di cancro in vari organismi anche se raramente sono la causa di cancro nell

’

uomo.

Questi virus sono stati estremamente utili per la comprensione dell’origine genetica del cancro nell’uomo.Virus del sarcoma di Rous (RETROVIRUS) determina l’insorgenza del sarcoma nel pollo

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Glicoproteine dell

’

involucro esterno

Proteine strutturali interne

Reverse trascrittasi

RNA del virus

Generico ciclo vitale di un retrovirus

LTR

GAG POL ENV

LTR

Proteine

strutturali

interne

Glicoproteine

dell

’

involucro

esterno

Reverse

trascrittasi

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LTR

GAG POL ENV

V-SRC LTR

Virus del sarcoma di RousLTRGAG POL ENV

LTRLa capacità trasformante del virus del sarcoma di Rous era SEPARABILE dalla capacità riproduttiva del virus che determinava il tumoreQuesto gene è stato identificato ed è stato chiamato v-src; è stato anche definito ONCOGENE perché quando introdotto in una cellula la poteva trasformare.

Si vide poi in seguito che questo gene era presente anche nel genoma di pollo ed a questo è stato dato il nome di

c-src

ed è stato definito un proto-oncogene.

Il retrovirus

normale

durante un ciclo di infezione nelle cellule di pollo si è portato dietro un pezzo del genoma dell

’

ospite contenente il gene

c-src

e si è trasformato in un

virus oncogeno

. Tra le due sequenze ci sono delle differenze che sono la causa del tumore: il protooncogene, presente normalmente nelle cellule dell

’

organismo, in seguito al suo passaggio nel genoma virale, ha subito mutazioni ed è quindi diventato un ONCOGENE

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Cambiamenti nelle cellule in coltura trasformate da virus oncogeni

Anomalie relative alla membrana plasmatica

Aumento del trasporto di metaboliti

Elevata produzione di attivatore del plasminogeno che esalta la proteolisi extracellulare

Eccessiva bollosità della membrana plasmatica

Anomalie della adesività

Diminuita adesione alle superfici, le cellule rimangono tondeggianti

Incapacità dei filamenti di actina di organizzarsi in grossi fasci

Scarsa deposizione di fibronectina extracellulare

Anomalie nell

’

accrescimento e nella divisione

Accrescimento sino a raggiungere una densità cellulare insolitamente alta

Diminuita richiesta di fattori di accrescimento nel siero

Diminuita necessità di ancorarsi (le cellule possono crescere senza necessità di distendersi su una superficie solida)

Le cellule provocano tumori se vengono iniettate in animali sensibili

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Alcuni virus oncogeni

Virus del sarcoma di

Rous

v-src Pollo SarcomaVirus del sarcoma dei felini v-fes Felini Sarcoma Virus della mieloblastosi aviaria v-myb Pollo Mieloblastosi Virus della mieloblastosi aviaria v-myc Pollo LeucemiaMC29Virus del sarcoma aviario v-yes Pollo SarcomaVirus del sarcoma Gardner-Rashid v-fgr Felini Sarcomadei felini

Virus del sarcoma della scimmia

v-

sis

Scimmia SarcomaVirus dell’osteosarcoma murino v-fos Topo Osteosarcomadi Finkel,Biskis e Jinkins

Virus dell’eritroblastosi aviaria v-erbA Pollo Eritroblastosi

Virus di Sloan-Kettering v-ski Pollo CarcinomaVirus della leucemia murina

v-

abl

Topo Leucemia

di

Abelson

Virus del sarcoma aviario UR2

v-

ros

Pollo Sarcoma

Virus del sarcoma murino

v-

mos

Topo Sarcoma

di

Moloney

Virus della reticoloendoteliosi aviaria

v-

rel

Tacchino Leucosi linfoide

Virus del sarcoma murino di Harvey

v-

Hras

Ratto Sarcoma

Virus del sarcoma murino di Kirsten

v-

Kras

Ratto Sarcoma

Retrovirus v-oncogene origine Tipo di cancro

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Come mai gli organismi mantengono certi geni che possono risultare pericolosi?

Gli ONCOGENI identificati nei retrovirus hanno omologhi nei genomi di tutti i vertebrati compreso l

’

uomo, questi geni sono stati chiamati proto-oncogeni

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Durante lo sviluppo di un organismo ci sono molti processi finemente controllati che regolano il numero delle divisioni cellulari e che, se alterati, possono provocare il cancro:

- proliferazione cellulare

- quiescenza

- apoptosi - l’ attivazione di cellule quiescenti ad opera di fattori extracellulari (FATTORI DI CRESCITA)

Proliferazione cellulare e cancro

Dopo l

’

embriogenesi, in condizioni normali, la maggior parte delle cellule sono in uno stato di quiescenza, detto G

0, durante il quale non si dividono. Alcune continuano a dividersi secondo necessità e l’APOPTOSI assicura che non ci sia un eccessivo accumulo di cellule in alcuni tessuti o organi

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Proliferazione cellulare in condizioni di normalità

Interphase

G

0

Fattori di crescita attraverso vie di trasduzione del segnale ATTIVANO il passaggio delle cellule dallo stato G

0

al G

1

Si stabilisce un equilibrio tra proliferazione, stato di quiescenza e apoptosi

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Via di trasduzione del segnale mediata da

ras

ELK1 FOS JUN

DNA del gene

ras

Gly Ala Gly Gly Val Gly

di tipo selvatico GGC GCC GGC GGT GTG GGC

DNA dell

’

oncogene

ras

G

T

C

Amminoacido 10

Amminoacido 15

Se c

’

è una mutazione nel gene

ras

……..

La proteina Ras risulta sempre attiva

Ras si ATTIVA

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Ras inattiva

Ras attiva

L

’

interazione con SOS stimola lo scambio GDP-GTP

L

’

oncoproteina Ras resta bloccata nello stato attivo se c

’

è la mutazione e il segnale diventa continuo

È attivata una serina/treonina chinasi a valle

Attivazione di

ras

GAP

NF-1

Forma sempre attiva anche senza segnali esterni (via della trasduzione del segnale)

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Espressione delle cicline durante il ciclo cellulare

La

ciclina D1

si accumula precocemente nella fase G1 ed è espressa a livelli costanti

La

ciclina E

si accumula in G1 raggiunge un picco e diminuisce a metà della fase S

La

ciclina D2

inizia ad accumularsi nella seconda metà di G1 raggiunge un picco

La

ciclina A

compare in tarda fase G1, si accumula in fase S; ha un picco nel momento di transizione G2/M e diminuisce rapidamente in fase M

La

ciclina B

segue un po

’

sfalsata la

ciclina A

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Ciclina B

La

ciclina B

inizia ad accumularsi in fase S; ha un picco nel momento di transizione G2/M e diminuisce rapidamente in fase M: la ciclina B favorisce il passaggio alla mitosi

La transizione dalla fase G

2

alla fase M è controllata dalla ciclina B e da un

’

altra proteina: CDK1. Queste molecole interagiscono per formare un complesso che fosforila componenti cellulari. Questi a loro volta danno origine ai cambiamenti biochimici e strutturali necessari per la mitosi

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Fattori di crescita (PDGF->

sis

)Recettori dei fattori di crescitarecettori per PDGF, EGF ->erb-BProteine Kinasi associate allemembrane src C-kinase Trasduzione del segnale

H-rasKinasi citoplasmaticherafFattori di trascrizionejunProteine che promuovono la proliferazione cellulareAltri fattori di trascrizionefos

DNA

Funzioni dei protooncogeni (ciclo cellulare)

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-fattori di crescita (

sis

) e recettori (

erb-B) -proteine kinasi (src)

-trasduzione del segnale (H-ras)-fattori nucleari (myc, fos, jun ecc.)

C

Fattore di crescita

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Ciò che fu fondamentale per compiere un grosso passo in avanti nell

’

identificazione di quali geni fossero alterati nelle traslocazioni eventualmente responsabili dei tumori, fu la scoperta che la posizione dei PROTO-ONCOGENI umani omologhi agli oncogeni virali coincidessero con i punti di rottura della traslocazioni presenti in varie leucemie.

L’oncogene v-abl (gene ritrovato nel virus della leucemia murina di Abelson

) identificava il gene ABL umano omologo localizzato sul cromosoma 9 in posizione 9q34.1 che corrisponde proprio al sito coinvolto nella traslocazione del cromosoma Philadelphia e che codifica per una fattore di trasduzione del segnale. Si poteva quindi dedurre che fosse proprio un’

alterazione del gene

ABL

a contribuire alla leucemia.

Aberrazioni cromosomiche e tumori

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In realtà la traslocazione t (9;22) determina la fusione del proto-oncogene c-

ABL

con il gene BCR, sul cromosoma 22 (è una serina-treonina chinasi, la cui funzione non è ancora completamente chiarita). La proteina ABL ha attività di tirosina-chinasi e quindi la proteina di fusione è una potente molecola ibrida che attiva impropriamente vie di trasduzione del segnale e porta le cellule a sfuggire al controllo del ciclo cellulare, contribuendo allo sviluppo della Leucemia Mieloide Cronica (CML)

TraslocazioneCromosoma Philadelphia

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Gene di fusione che si origina a seguito della traslocazione t (9;22)

La traslocazione corrispondente al cromosoma Philadelphia (Ph

1

) crea un gene chimerico che ha il promotore

e la prima parte del

gene

BCR,

viene sempre espresso e determina la:

LEUCEMIA MIELOIDE CRONICA

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Conseguenze di varie traslocazioni che coinvolgono il gene

myc

Queste traslocazioni portano il gene

myc

in vicinanza di enhancer per l

’

espressione delle catene sia leggere che pesanti delle immunoglobuline, lasciando quindi che il gene

myc

si esprima costitutivamente

LINFOMA DI BURKITT

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Cromosoma

umano 14

Cromosoma

umano 18

Traslocazione

14,18

Centromero Punto di rottura

Enhancer dell

’

IGH

Gene per la catena pesante

dell

’

immunoglobulina

IGH

Gene

bcl-2

Non attivo nei linfociti

Punto di rottura

Riunione dei punti di rottura

Attivo nei linfociti B

Gene

Bcl-2

e la leucemia linfocitica cronica (CLL)

Il gene

bcl-2

risulta sempre attivato nei linfociti (in cui normalmente non è espresso), il gene

bcl-2

è importante per l

’

apoptosi e di conseguenza l

’

apoptosi in queste cellule è

bloccata

Slide30

Le concentrazioni relative delle proteine Bcl-2 e BAX regolano l

’

apoptosi. Una cellula normale contiene Bcl-2 e BAX in equilibrio, che formano eterodimeri inattivi. Un eccesso di Bcl-2 dà origine a omodimeri BCL-2, che prevengono l

’apoptosi. Le cellule tumorali che sovraesprimono Bcl-2 sono resistenti alle chemioterapie e alla radioterapia. Un eccesso relativo di BAX dà origine a omodimeri BAX che inducono l’apoptosi. Nelle cellule normali, la proteina p53 attivata induce la trascrizione di BAX e inibisce la trascrizione di BCL-2, portando la cellula alla morte. In molte cellule tumorali, la p53 è difettiva per cui è preclusa la via che rimuove le cellule tumorali tramite l’apoptosi

Globulo bianco normale

Globulo bianco

che sta andando

incontro

ad apoptosi

Bcl-2, BAX, p53 e controllo dell

’

apoptosi

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Oncogene Funzione Cancro

nella cellula normale

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Protooncogene funzione normale Alterazioni nel cancro Tumori associati

H-ras

c-erbB

c-myc

RAR-



c-raf

c-kit

c-fos

E6

MDM2

cicline

CDK2;4

Oncogeni

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ONCOGENI -> agiscono in maniera dominante; sono causa di forme sporadiche di tumori

Fattori di crescita (GF)

Recettori dei fattori di crescita

Componenti della trasduzione del segnale intracellulare (ras)Fattori di trascrizione (myc)Regolatori del ciclo cellulare (cicline)

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Meccanismi di attivazione degli oncogeni

Amplificazione genica

Mutazioni puntiformi

Creazione di geni chimerici (traslocazione 9; 22), come BCR-ABLTraslocazione di geni in regioni cromosomiche trascrizionalmente attive (myc-IGH)

Differenti tipi di alterazioni genomiche possono avere effetti oncogeni.

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Oltre alle proteine necessarie per l

’

attivazione della proliferazione cellulare, del ciclo di divisione e dell’apoptosi ce ne sono altre che controllano le proteine attivatrici e ce ne sono ancora altre che sono necessarie a riparare eventuali danni a carico del DNA genomico e contribuire così a prevenire il cancro (ANTIONCOGENI).