Riparazione del DNA ed insorgenza di tumori. Marco Muzi Falconi Dip. Scienze Biomolecolari e Biotecnologie Università degli Studi di Milano

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1 Riparazione del DNA ed insorgenza di tumori Marco Muzi Falconi Dip. Scienze Biomolecolari e Biotecnologie Università degli Studi di Milano

2 Danni al DNA e cancro Le cellule tumorali L importanza della stabilità genomica Danni al DNA Riparazione del DNA Checkpoints Risposta ai danni al DNA e insorgenza di tumori Risposta ai danni al DNA e terapia

3 Cosa è il cancro Cancro: cellule anormali si dividono senza controllo ed invadono altri tessuti Tutte le forme di cancro partono da una cellula. Per capire il cancro bisogna capire cosa succede quando una cellula normale diventa tumorale

4 Normalmente le cellule si dividono in maniera controllata Cellule vecchie o danneggiate muoiono Alterazioni del DNA possono influenzare la crescita e la divisione cellulare

5 Cancro e stabilità del genoma Cellule cancerose e precancerose mostrano un alterazioni cromosomiche

6 Cariotipo di una cellula normale Human chromosomes

7 Chromosomes from a cancer cell Cariotipo di una cellula tumorale

8 Cariotipo di un altra cellula Human chromosomes tumorale

9 Instabilità genomica è critica per permettere sviluppo tumorale Instabilità genomica aumenta probabilità di attivazione di oncogeni, di inattivazione di oncosoppressori etc Con il tempo aumenta la malignità e la resistenza ai farmaci

10 Il Problema 46 cromosomi, 6,5 miliardi di nucleotidi da replicare e segregare Il DNA deve essere riparato

11 Mantenimento della stabilità genomica replicazione segregazione Corretta alternanza replicazione-segregazione Fedeltà di replicazione e segregazione Riparazione

12 Perchè studiare questi processi Sono processi fondamentali per la cellula Interesse per la scienza di base Interesse per la scienza applicata basi molecolari del cancro invecchiamento strategie chemioterapeutiche etc.

13 Insorgenza di danni al DNA

14 Danni al DNA Ogni giorno il DNA di ciascuna cellula subisce almeno lesioni La natura chimico-fisica della lesione dipende dall origine delle lesione stessa Ci sono lesioni più pericolose di altre

15 Le cause delle mutazioni Prodotti del normale metabolismo cellulare (es. respirazione cellulare, metilazione) Processi cellulari (es. replicazione del DNA) Ambiente (es. radiazioni varie, agenti chimici)

16 Mutagenesi ambientale BBQ fumo agenti alchilanti chemioterapici radiazioni ionizzanti radiazioni UV

17 Mutazioni geniche Mutazioni cromosomiche Mutazioni genomiche

18 Riparazione del DNA

19 Cos è la riparazione del DNA La riparazione del DNA è un insieme di processi attraverso i quali le nostre cellule riconoscono e correggono lesioni presenti nel DNA Se le lesioni non vengono riparate si possono verificare mutazioni e alterazioni cromosomiche più o meno importanti

20 Perché riparare depurinazioni giorno/cellula miliardi cellule/organismo Accumulo di mutazioni in cellule somatiche può portare allo sviluppo di tumori Mutazioni nelle cellule germinali possono portare alla trasmissione di malattie genetiche

21 La riparazione è molto efficiente NER BER MMR

22 Cariotipo di un altra cellula Human chromosomes tumorale

23 Chromosomes from a cancer cell Cariotipo di una cellula tumorale

24 Fenotipo mutatore Per passare da cellula normale a cellula cancerosa sono necessarie numerose alterazioni del genoma Man mano che le mutazioni aumentano la cellula diventa progressivamente più anormale Quando una mutazione colpisce un sistema che controlla la riparazione del DNA la cellula diventa ancora più suscettibile di mutazioni e si osserva un accelerazione notevole del instabilità genomica

25 Checkpoint da danni al DNA

26 Come fa la cellula ad accorgersi che ci sono danni al DNA? Come fa la cellula ad integrare la riparazione con la replicazione e la divisione cellulare? Come fa la cellula a decidere se riparare il DNA oppure morire a favore della sopravvivenza dell organismo?

27 Checkpoint da danni al DNA La risposta a queste domande: ci pensa il checkpoint da danni al DNA

28 Checkpoint da danni al DNA Danni al DNA Ciclo cellulare checkpoints Replicazione del DNA Riparazione e ricombinazione Morte cellulare (apoptosi) Trascrizione Checkpoint reagisce alla presenza di lesioni sul DNA coordinando diversi processi

29 cellule che sono troppo danneggiate decidono di morire evitando di creare problemi all organismo apoptosi è un meccanismo di soppressione dei tumori apoptosi è regolata dal checkpoint attraverso p53

30 Il Ciclo Cellulare -processo di duplicazione e divisione (mitosi-interfase) -ciclo cromosomico -sequenza ordinata di eventi -estrema conservazione evolutiva -grande complessita e finezza di regolazione

31 Il ciclo cellulare Segregazione del genoma danni al DNA danni al DNA Duplicazione del genoma ids danni al DNA

32 Saccharomyces cerevisiae S. cerevisiae, organismo modello unicellulare, molto più semplice, trattabile geneticamente. i principali pathways legati alla riparazione del DNA ed al controllo della stabilità del genoma sono molto conservati

33 G1 S G2 M

34 Identificazione dei fattori di checkpoint Cellule normali dopo raggi X si arrestano Mutanti nel checkpoint continuano a dividersi

35 Identificazione dei fattori di checkpoint untreated 50 J/m % MMS WT mec1-1

36 Il checkpoint da danno al DNA S. cerevisiae H.sapiens Rad17, Mec3, Ddc1 Rad24, Rad9, MRX Sensori hrad1, hhus1, hrad9, hrad17, BRCA1?, MRN Mec1, Tel1, Rad53, Chk1 Trasduttori ATM, ATR, CHK2, CHK1 RPA, Polα-primase, Cdc28, Swi6, Pds1, Cdc14,... Effettori RPA, p53, CDC25, CDK,...

37 RFC Rad24 5 Ddc2 Ddc1 P P RPA RPA RPA P P P P Mec1 Ddc2 RPA RPA RPA P P Ddc1 Rad17 Mec3 Rad9 Rad9 P P P PRad53 P P Rad9 Rad9 Rad53 Targets Rad53

38 Danni a DNA ed insorgenza di tumori

39 La genetica dell instabilità genomica Ataxia Telangiectasia ATM Checkpoint AT like disease MRN complex Checkpoint/ricomb. Nejmegen breakage syndrome MRN complex Checkpoint/ricomb. Werner syndrome WRN Ricombinazione Bloom syndrome BLM Ricombinazione BRCA1/2 Checkpoint/ricomb. Xeroderma Pigm. NER complex NER HNPCC MSH, MLH Checkpoint/MMR Li-Fraumeni syndrome p53, CHK2 Checkpoint Fanconi Anemia FANC proteins ICLRep/checkpoint

40 Sindromi genetiche con elevata insorgenza di tumori Ataxia telangiectasia Werner syndrome Bloom syndrome Xeroderma pigment.

41 Esempi difetti in MMR sono responsabili di HNPCC, predispongono allo sviluppo di tumori al colon, endometrio ed ovaie. BRCA1 e BRCA2 sono implicati nella riparazione dei DSB. Mutazioni in questi geni conferiscono elevata probabilità di tumori al seno e ovaie (35-84% e 10-50%)

42 p53 a valle del checkpoint promuove apoptosi promuove arresto del ciclo cellulare in G1 mutazioni ereditarie mutazioni sporadiche mutato nella maggior parte dei pazienti

43 p53 è attivato dal checkpoint danno al DNA ATM MDM2 MDM2 Chk2 P P p53 X p53 p21, Bax p53 inattivo e instabile geni target sono spenti p53 attivo e stabile geni target sono accesi

44 danno al DNA p53+ riparazione prima della divisione p53 aumenta e si attiva arresto del ciclo cellulare apoptosi danno al DNA p53- divisione in presenza di danni: mutazioni, perdita di cromosomi p53 assente ciclo cellulare non si arresta problemi di divisione, letalità

45 Danni al DNA e terapia dei tumori

46 Terapia Radio- e chemio- terapia si basano sul causare danni al DNA, uccidendo le cellule tumorali Bisogna capire come aumentare la selettività per le cellule malate

47 Problemi: farmaco causa mutazioni possibile sviluppo di tumori secondari

48 Cisplatino molto efficiente nel trattamento di tumori testicolari metastatici utilizzato per diversi altri tumori

49 Cisplatino Principali limitazioni: effetti collaterali tossici meccanismi di resistenza innati acquisiti

50 Azathioprin (Aza) immunosppressivo aumenta probabilità di carcinomi cutanei 6-TG interagisce con UVA generando ROS 6-TG genera un fotoprodotto che blocca la replicazione

51 Radioterapia Radiazioni ionizzanti generano DSBs DSBs attivano il checkpoint via ATM inibitori specifici di ATM

52 Tumori dovuti a mutazioni BRCA1/2 hanno difetti nella riparazione delle rotture del DNA Inibitori della PARP possono eliminare specificamente queste cellule tumorali

53 Agenti alchilanti sono molto utilizzati molti melanomi metastatici non rispondono resistenza è dovuta a AGT, enzima riparativo inibizione di AGT sensitivizza il tumore

54 Instabilità genomica è alla base dei tumori Per avere instabilità genomica la cellula deve tollerare danni al DNA Cellule tumorali sono molto spesso difettive in uno dei sistemi di riparazione o nel checkpoint Conoscenza dei dettagli dei diversi sistemi di riparazione e di risposta ai danni è importante