LE BASI MOLECOLARI DEI TUMORI

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1 LE BASI MOLECOLARI DEI TUMORI

2 LE BASI MOLECOLARI DEI TUMORI I principali bersagli dei danni genetici sono: 1) Oncogeni 2) Geni oncosoppressori 3) Geni che regolano l apoptosi 4) Geni coinvolti nella riparazione del DNA

3 ONCOGENI Promuovono la crescita autonoma della cellula tumorale in assenza dei normali segnali mitogenici. Fattori di crescita Recettori dei fattori di crescita Trasduttori del segnale Regolatori della trascrizione Identificati nel genoma dei retrovirus trasformanti acuti. Le controparti fisiologiche sono dette protooncogeni. Mutazioni dei proto-oncogeni sono dominanti perché trasformano la cellula anche in presenza dell allele normale.

4 Oncogeni: fattori di crescita Esempi: TGF-, SIS (codifica la catena del PDGF)

5 Oncogeni: recettori per fattori di crescita Esempi: EGFR, Her2/neu

6 Oncogeni: trasduttori del segnale Es. RAS (mutazioni puntiformi delle proteine della famiglia di RAS sono estremamente comuni nei tumori umani).

7 Oncogeni: fattori trascrizionali Es. MYC, JUN, FOS

8 Meccanismo di azione degli oncogeni

9 Meccanismo di attivazione degli oncogeni

10 Traslocazioni e attivazione di oncogeni

11 Category Protooncogene Mode of Activation Associated Human Tumor Growth Factors ONCOGENI ASSOCIATI A TUMORI UMANI PDGF-βchain SIS Overexpression Astrocytoma Osteosarcoma Fibroblast growth factors HST-1 INT-2 Overexpression Amplification Stomach cancer Bladder cancer Breast cancer Melanoma TGFα TGFα Overexpression Astrocytomas Hepatocellular carcinomas HGF HGF Overexpression Thyroid cancer Growth Factor Receptors EGF-receptor family ERB-B1 (ECFR) ERB-B2 Overexpression Amplification Squamous cell carcinomas of lung, gliomas Breast and ovarian cancers CSF-1 receptor FMS Point mutation Leukemia Receptor for neurotrophic factors RET Point mutation Multiple endocrine neoplasia 2A and B, familial medullary thyroid carcinomas PDGF receptor PDGF-R Overexpression Gliomas Receptor for stem cell (steel) factor KIT Point mutation Gastrointestinal stromal tumors and other soft tissue tumors Proteins Involved in Signal Transduction GTP-binding K-RAS H-RAS N-RAS Point mutation Point mutation Point mutation Colon, lung, and pancreatic tumors Bladder and kidney tumors Melanomas, hematologic malignancies Nonreceptor tyrosine kinase ABL Translocation Chronic myeloid leukemia Acute lymphoblastic leukemia RAS signal transduction BRAF Point mutation Melanomas WNT signal transduction β-catenin Point mutation Overexpression Hepatoblastomas, hepatocellular carcinoma Nuclear Regulatory Proteins Transcriptional activators C-MYC N-MYC L-MYC Translocation Amplification Amplification Burkitt lymphoma Neuroblastoma, small cell carcinoma of lung Small cell carcinoma of lung Cell-Cycle Regulators Cyclins CYCLIN D CYCLIN E Translocation Amplification Overexpression Mantle cell lymphoma Breast and esophageal cancers Breast cancer Cyclin-dependent kinase CDK4 Amplification or point mutation Glioblastoma, melanoma, sarcoma

12 Ciclo cellulare Anomalie nell espressione delle CICLINE e delle CHINASI DIPENDENTI DALLE CICLINE (CDK) sono presenti in molti tumori umani.

13 Espressione dei complessi delle cicline con le CDK Le CICLINE sono sintetizzate durante fasi specifiche del ciclo cellulare e poi degradate. Le CDK sono sempre espresse in forma inattiva e vengono attivate per fosforilazione dopo essersi legate alle cicline.

14 Transizione G 1 /S 1) Segnali esterni attivano le vie di trasduzione del segnale tra cui quelle di MYC e RAS che portano alla sintesi di ciclina D. 2) La ciclina D lega CDK4. 3) Il complesso ciclina D-CDK4 fosforila RB. 4) Il fattore di trascrizione E2F è ora libero di attivare la trascrizione della ciclina E, della ciclina A e di vari enzimi coinvolti nella fase S 5) La ciclina E lega CDK2 e si ha la transizione G 1 /S.

15 Componenti del ciclo cellulare e loro inibitori Cell-Cycle Component Cyclin-Dependent Kinases CDK4 CDK2 CDK1 Inhibitors Cip/Kip family: p21, p27 1NK4/ARF family: p16ink4a, p14arf Checkpoint Components p53 Ataxia-telangiectasia mutated (ATM) Main Function Forms a complex with cyclin D. The complex phosphorylates RB, allowing the cell to progress through the G 1 restriction point. Forms a complex with cyclin E in late G 1, which is involved in the G 1 /S transition. Forms a complex with cyclin A at the S phase that facilitates the G 2 /M transition. Forms a complex with cyclin B, which acts on the G 2 /M transition. Block the cell cycle by binding to cyclin-cdk complexes. p21 is induced by the tumor suppressor p53. p27 responds to growth suppressors such as transforming growth factor-β. p16ink4a binds to cyclin D-CDK4 and promotes the inhibitory effects of RB. p14arf increases p53 levels by inhibiting MDM2 activity. Tumor suppressor altered in the majority of cancers; causes cell-cycle arrest and apoptosis. Acts mainly through p21 to cause cell-cycle arrest. Causes apoptosis by inducing the transcription of pro-apoptotic genes such as BAX. Levels of p53 are negatively regulated by MDM2 through a feedback loop. p53 is required for the G 1 /S checkpoint and is a main component of the G 2 /M checkpoint. Activated by mechanisms that sense double stranded DNA breaks. Transmits signals to arrest the cell cycle after DNA damage. Acts through p53 in the G 1 /S checkpoint. At the G 2 /M checkpoint, it acts both through p53-dependent mechanisms and through the inactivation of CDC25 phosphatase, which disrupts the cyclin B-CDK1 complex. Component of a network of genes that include BRCA1 and BRCA2, which link DNA damage with cell-cycle arrest and apoptosis.

16 Inibitori del ciclo cellulare Regolano i complessi ciclina-cdk. Sono oncosoppressori.

17 Componenti dei checkpoint del ciclo cellulare Impediscono che la cellula prosegua nel ciclo cellulare se una fase non è avvenuta correttamente. 1 checkpoint G 1 /S: danni al DNA? 2 checkpoint G 2 /M: replicazione DNA completa? Difetti nei componenti dei checkpoint sono la maggior causa di instabilità genetica nelle cellule tumorali. Es p53 ATM (Ataxia-telangiectasia mutated)

18 GENI ONCOSOPPRESSORI o ANTIONCOGENI Inibiscono la proliferazione cellulare. Nella maggior parte dei casi le mutazioni dei geni oncosoppressori sono recessive: entrambi gli alleli devono essere lesi perché si verifichi la trasformazione. Alcuni geni oncosoppressori però perdono la loro attività quando un solo allele è mutato. Es. gene RB p53 gene APC

19 Gene RB e retinoblastoma Tumore della retina. Colpisce 1 su nati. 60% dei casi sporadico 40% ereditario Gene oncosoppressore coinvolto: RB (codifica per la proteina RB che regola il ciclo cellulare). Oncogene recessivo.

20 p53 p53 è una proteina nucleare che controlla la trascrizione genica. Stimola la trascrizione di geni che mediano l arresto del ciclo cellulare (es p21) l apoptosi (es bax) la riparazione del DNA (es GADD45) Se manca p53 i danni al DNA non vengono riparati, e la cellula mutata può dare origine a un tumore.

21 P53 e tumori p53 è il bersaglio più comune delle alterazioni geniche nei tumori umani. Generalmente le mutazioni interessano entrambi gli alleli e sono acquisite nelle cellule somatiche. Nella sindrome di Li-Fraumeni viene ereditato un allele mutato di p53: probabilità 25 volte maggiore di sviluppare un cancro prima dei 50 anni rispetto al resto della popolazione.

22 APC E un componente del pathway di WNT che controlla l adesione e la polarità della cellula e il rinnovamento delle cellule staminali ematopoietiche. Controlla la β-catenina: la lega e la formazione del complesso porta alla sua distruzione. Se la cellula è esposta a WNT, la β-catenina non è degradata e trasloca nel nucleo dove attiva un fattore di trascrizione che attiva geni coinvolti nella proliferazione.

23 Ruolo di APC nella regolazione della stabilità e della funzione della β-catenina C-MYC, ciclina D1

24 APC e tumori SE APC è inattivata la cellula si comporta come se fosse sempre attivata da WNT e continua a proliferare. Inoltre la β-catenina lega la E-caderina, la proteina che mantiene l adesione intercellulare ed è quindi coinvolta nella Epithelial-Mesenchimal Transition. METASTASI I tappa Perdita delle giunzioni intercellulari

25 APC e tumori Mutazioni ereditarie del gene APC sono associate con tumori benigni che precedono lo sviluppo di carcinomi. Tutti gli individui con un gene mutato sviluppano migliaia di polipi adenomatosi del colon a anni di età (POLIPOSI ADENOMATOSA FAMILIARE). Entrambe le copie del gene APC devono essere perse perchè si sviluppi il tumore. Quasi certamente uno dei polipi va incontro a trasformazione maligna entro i 50 anni d età. Anche il 70-80% dei tumori colorettali sporadici presenta mutazioni di APC.

26 -catenina e tumori Tumori del colon possono avere il gene APC normale e presentare mutazioni della βcatenina. Mutazioni della β-catenina sono molto frequenti anche nei tumori del fegato.

27 PREDISPOSIZIONE FAMILIARE AL CANCRO Inherited Cancer Syndromes (Autosomal Dominant) RB p53 p16ink4a APC Gene Retinoblastoma Inherited Predisposition Li-Fraumeni syndrome (various tumors) Melanoma Familial adenomatous polyposis/colon cancer NF1, NF2 Neurofibromatosis 1 and 2 BRCA1, BRCA2 Breast and ovarian tumors MEN1, RET Multiple endocrine neoplasia 1 and 2 MSH2, MLH1, MSH6 PATCH Hereditary nonpolyposis colon cancer Nevoid basal cell carcinoma syndrome Sindromi neoplastiche ereditarie

28 PREDISPOSIZIONE FAMILIARE AL CANCRO Inherited Cancer Syndromes (Autosomal Dominant) RB p53 p16ink4a APC Gene Retinoblastoma Inherited Predisposition Li-Fraumeni syndrome (various tumors) Melanoma Familial adenomatous polyposis/colon cancer NF1, NF2 Neurofibromatosis 1 and 2 BRCA1, BRCA2 Breast and ovarian tumors MEN1, RET Multiple endocrine neoplasia 1 and 2 MSH2, MLH1, MSH6 PATCH Familial Cancers Hereditary nonpolyposis colon cancer Nevoid basal cell carcinoma syndrome Familial clustering of cases, but role of inherited predisposition not clear for each individual Breast cancer Ovarian cancer Pancreatic cancer Inherited Autosomal Recessive Syndromes of Defective DNA Repair Xeroderma pigmentosum Ataxia-telangiectasia Bloom syndrome Fanconi anemia

29 DEFICIT NELLA RIPARAZIONE DEL DNA I soggetti che nascono con mutazioni ereditarie delle proteine della riparazione del DNA hanno un rischio fortemente aumentato di sviluppare il cancro. Si parla di sindromi da instabilità genetica. I geni coinvolti nella riparazione del DNA non sono di per sé oncogeni, ma la loro alterazione permette il verificarsi di altre mutazioni durante la divisione cellulare. Es. xeroderma pigmentoso

30 Trasformazione neoplastica e deficit nella riparazione del DNA Raggi UV legami crociati dei residui primidinici. Danno riparato mediante escissione di nucleotidi. La perdita ereditaria di una delle proteine coinvolte nella riparazione può dare origine allo Xeroderma Pigmentoso.

31 Geni BRCA1 e BRCA2 Associati a tumori della mammella e ad altri tumori maligni. Mutazioni di BRCA1 aumentano il rischio anche di neoplasie dell ovaio, della prostata e del colon, quelle di BRCA2 aumentano il rischio di neoplasie dell ovaio, del pancreas e melanomi. Mutazioni di BRCA1 e BRCA2 sono presenti nell 80% dei casi di tumore alla mammella familiare non-ereditarie, ma sono presenti in meno del 3% di tutti i cancri alla mammella, quindi non sono responsabili di molte neoplasie alla mammella di tipo familiare (10-20%). Sono geni coinvolti nella regolazione della trascrizione e partecipano al processo di riparazione del DNA.

32 Fonte: sito dell Associazione Italiana Ricerca sul Cancro (AIRC),

33 Fonte: sito dell Associazione Italiana Ricerca sul Cancro (AIRC),

34 EVASIONE DALL APOPTOSI L insorgenza di un tumore può verificarsi per la mutazione di geni che regolano l apoptosi. Es. p53 Bcl2 e linfomi

35 Trasformazione neoplastica e controllo della morte cellulare

36 Principali markers tumorali Markers Associated Cancers Hormones Human chorionic gonadotropin Calcitonin Catecholamine and metabolites Trophoblastic tumors, nonseminomatous testicular tumors Medullary carcinoma of thyroid Pheochromocytoma and related tumors Ectopic hormones See Paraneoplastic Syndromes in Table 7-12 Oncofetal Antigens α-fetoprotein Carcinoembryonic antigen Isoenzymes Prostatic acid phosphatase Neuron-specific enolase Specific Proteins Immunoglobulins Prostate-specific antigen and prostate-specific membrane antigen Mucins and Other Glycoproteins CA-125 CA-19-9 CA-15-3 New Molecular Markers Liver cell cancer, nonseminomatous germ cell tumors of testis Carcinomas of the colon, pancreas, lung, stomach, and heart Prostate cancer Small cell cancer of lung, neuroblastoma Multiple myeloma and other gammopathies Prostate cancer Ovarian cancer Colon cancer, pancreatic cancer Breast cancer p53, APC, RAS mutations in stool and serum Colon cancer p53 and RAS mutations in stool and serum p53 and RAS mutations in sputum and serum p53 mutations in urine Pancreatic cancer Lung cancer Bladder cancer Other widely used markers include PSA and PSMA (prostate-specific antigen and prostate-specific membrane antigen) for prostate cancers, human chorionic gonadotropin for testicular tumors, and CA125 for ovarian tumors. The development of tests to detect cancer markers in blood and body fluids is an active area of research. Some of the markers being evaluated include the detection of mutated APC, p53, and RAS in the stool of patients with colorectal carcinomas; the presence of mutated p53 and of hypermethylated genes in the sputum of patients with lung cancer and in the saliva of patients with head and neck cancers; and the detection of mutated p53 in the urine of patients with bladder cancer

37 LE BASI MOLECOLARI DEI TUMORI

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