Genetica del cancro

Genetica del cancro
Lezione 18
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Il tumore come network
Carcinoma del colon
Le cellule mutate
iniziano a duplicarsi in
modo incontrollato
Displasia. Le
cellule perdono
morfologia
Cancro invasivo
Le cellule
divengono
invasive e
metastatizzano
Processo di vascolarizzazione
Iperplasia Le
cellule
conservano
morfologia
Cancro in situ
Le cellule
perdono il
contatto con il
tessuto
Esempio di progressione a tappe da tumore benigno a tumore maligno
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Cos’e’il tumore
I Le alterazioni genetiche acquisite che portano alla
trasformazione maligna sono un esempio di variazione
genetica somatica (oltre al mosaicismo per i caratteri
genetici nucleari e all’eteroplasmia per le mutazioni
mitocondriali).
I Il tumore ha un’origine clonale, essendo il suo
sviluppo innescato da un’alterazione genetica in una
singola cellula
M E’l’accumulo di alterazioni genetiche in una
singola cellula e nel clone che ne deriva che produce
gli effetti fenotipici caratteristici del termine
“malignita’”.
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Cellule normali e
cancerose
CELLULE NORMALI
CELLULE CANCEROSE
J INIBIZIONE
L PERDITA INIBIZIONE
DA CONTATTO
DA CONTATTO
J INCAPACI DI CRESCERE IN
SOSPENSIONE
L CRESCONO IN SOSPENSIONE
(ECCEZIONE I LINFOCITI)
J DIPENDENTI DAI FATTORI
L INDIPENDENTI DA FATTORI
DI CRESCITA
DI CRESCITA
J MORTALI
L IMMORTALI
I geni nei tumori
I geni alterati nel cancro sono definiti oncogeni: questo
nome deriva dalla scoperta di geni virali responsabili della
trasformazione in tumore delle cellule infettate
sono geni che controllano le normali funzioni della cellula:
la proliferazione, l’apoptosi, il ciclo cellulare....
per poterli studiare, come i geni considerati finora bisogna
avere dei mutanti: le cellule cancerose sono i mutanti
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I geni nei tumori
& Vengono suddivisi in alcune categorie a seconda della
funzione che svolgono prima della mutazione
oncosoppressori
proto-oncogeni
caretaker
landscapers
(addetti alla manutenzione)
(architetti del paesaggio)
Gene Rb del retinoblastoma
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Un punto di vista diverso
La selezione agisce attraverso la fitness di un gruppo di individui: chi
si riproduce di piu’ per effetto di mutazioni favorevoli in quel
momento e in quel luogo prendera’ il sopravvento
trasferiamo questo concetto ad un gruppo di cellule : una cellula muta,
acquisisce un vantaggio proliferativo sfuggendo anche parzialmente al
sistema di controllo, si riprodurra’ piu’ rapidamente
la cellula nell’organismo e’ sottoposta ad un controllo a molti livelli e
difficilmente potra’ in breve tempo prendere il sopravvento…… almeno
finche’ i sistemi di controllo sono efficienti
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Due forze contrastanti
Una spinge la cellula mutata a prendere il sopravvento e l’altra protegge
l’organismo nel suo insieme (apoptosi, meccanismi di riparo)
questo fa si che almeno fino al momento in cui un organismo si riproduce
il numero di mutazioni somatiche che si accumulano nella cellula non
raggiungano il livello di guardia: si pensa 6-7 (con le dovute eccezioni), e
soprattutto con la nuova generazione si rincomincia.
con il tempo i meccanismi di controllo si attenuano e vengono meno………
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e allora come mai il cancro?
se la possibilita’ di accumulare in una cellula o in un suo clone e’ bassa
come mai ci sono i tumori cosidetti maligni?
sostanzialmente ci sono due meccanismi che permettono la progessione:
* mutazioni che aumentano la capacita’ proliferativa incrementando il
numero di “individui” in cui potrebee manifestarsi una seconda, terza ……
mutazione
* mutazioni che intaccano la stabilita’ del genoma aumentando il livello di
mutazioni nel loro insieme
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riarrangiamenti multipli
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riarrangiamenti multipli
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percorsi che portano alla cancerogenesi
possiamo ridurre a due i percorsi che sviando, portano al tumore:
percorsi che controllano la nascita di nuove cellule (geni del ciclo
cellulare) e percorsi che portano alla morte (geni che controllano
l’apoptosi)
al primo percorso appartengono quei geni (protoncogeni) che nella forma
wt promuovono la proliferazione. Quando l’effetto della mutazione provoca
un ”gain of function” il risultato e’ un prodotto inappropriato nella sua
attivita’ o nello spazio o nel tempo.Vista la loro funzione wt basta la
mutazione di un allele
vi ricordo che non e’ la mutazione in se’, ma l’effetto che la mutazione ha
sulla funzione. il cancro e’ un fenotipo come gli altri, viene meno una
funzione dell’individuo cellula.
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percorsi che portano alla cancerogenesi
al secondo appartengono quei geni che nella versione wt impediscono la
progressione del ciclo cellulare (definiti TS tumor suppressor), stimolano
l’apoptosi , controllano la stabilita’ del genoma, garantiscono l’accuratezza
della replicazione, del riparo e della segregazione. Il fenotipo mutante
compare quando tutti e due gli alleli sono mutati nella stessa cellula.
Il nostro organismo e’ come un auto in cui i protooncogeni
sono l’accelleratore e i TS i freni.
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I proto-oncogeni
&
Già negli anni ‘80 ben venti diversi retrovirus erano risultati
portatori di un oncogene: sono indicati con abbreviazioni di tre
lettere, solitamente derivanti dal tumore provocato (es. erbB per
eritroblastosi )
&
gli oncogeni virali sono omologhi a normali geni eucariotici (es. il gene
virale v-src è omologo al gene cellulare c-src ) cioe ’nella cellula sono
presenti geni che hanno la funzione di stimolare la riproduzione cellulare
MQuesti geni cellulari sono definiti PROTO-ONCOGENI
IQuando si sovraesprimono diventano oncogeni e
trasformano la cellula: quindi il fenotipo tumore in questo
caso si puo’definire dominante... Perche?
I proto-oncogeni
L Perche’la cellula e’eterozigote : ha un allele wildtype e uno mutato e per questo non e’piu’in grado di
svolgere correttamente il controllo sul proprio ciclo
cellulare
M
Lle mutazioni dei proto-oncogeni danno un vantaggio
selettivo alla cellula perche’permettono di crescere
indiscriminatamente.
i proto-oncogeni sono geni che codificano per molecole
che regolano il differenziamento e la proliferazione cellulare:
fattori di crescita, recettori, proteine associate alla membrana cellulare
per la trasmissione dei segnali, proteine che controllano la
trascrizione.......
Oncogeni
Era noto che alcuni tumori animali originassero da infezioni virali, questa informazione
derivava da esperimenti in vivo ed in vitro. Nell’uomo sono pochi quelli dimostrati ad
eziologia esogena
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Oncogeni
Quello che ci interessa e’ che geni portati da virus possono trasformre le cellule
ospite. lo studio di questi geni ha permesso di capire cosa sono gli oncogeni. Test in
vitro come il NIH-3T3 hanno permesso di chiarire che in tumori di origine non virale
sono presenti oncogeni endogeni attivati
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Oncogeni
Il primo oncogene virale identificato (1983) e’ stato v-sis che corrisponde al gene
PDGFB fattore di crescita delle piastrine. La sua espressione incontrollata e’
concordante con l’idea che l’eccesso di un grow factor porti ad un’iperproliferazione.
L’analisi di altri oncogeni ha confermato che la loro funzione e’ indispensabile per la
cellula e che la loro alterata espressione e’ all’origine dei tumori.
Grossolanamente possiamo suddividere gli oncogeni in 5 classi:
* fattori di crescita secreti
* recettori di membrana
* componenti dei sistemi di trasduzione del segnale intracellulare
* proteine DNA-binding compresi i fattori di trascrizione
* componenti del network delle cicline, delle chinasi-ciclino dipendenti e degli inibitori
delle kinasi. Tutti componenti che controllano il normale svolgimento del ciclo cellulare
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Schema delle classi di proto-oncogeni
Es.: csys
Es.: cerbB
MI proto-oncogeni
diventano oncogeni quando
vengano attivati in maniera
difforme dal loro schema
fisiologico.
Oncogeni
Vira l and cellu lar oncogenes
Viral disease
v-onc
c-onc
Location
Sim ian sarcom a
v-sis
PDGFB 22q13 .1
Platelet-derived growth
Chick en erythroleu kemi a
v-erbb
EGFR
Epidermal growth factor receptor
McDo nough fe line
sarcom a
v-fm s CSF1R 5q33
Macrophage col ony-stimulating facto r
recepto r
Harvey rat sarcom a
v-ras
HRAS1 11p15
Component of G-protein s ignal transduction
Abels on mo use leukemia
v-abl
ABL
9q34.1
Protein tyrosine kinase
Avian sarcoma 17
v-jun
JUN
1p32-p3 1
AP-1 trans cription factor
Avian myelocytomatosi s
v-myc
MYC
8q24.1
DNA-bi nding prot ein (transcription facto r;
see
7p13-q2 2
Functio n
factor B subun it
Rabbitts, 1994)
Mo use oste osarcom a
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v-fos
FOS
14q24 .3q31
DNA-bi nding transcription factor
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Attivazione protoncogeni
Un protoncogene diventa oncogene quando la mutazione provoca un aumento di funzione
che puo’ essere :
* quantitativo di un prodotto normale
* qualitativo: prodotto leggermente mutato che non puo’ rispondere al suo controllore,
prodotto chimerico originato da un riarrangiamento genomico
Le mutazioni sono sempre somatiche, ci sono alcune eccezioni, ma la predisposizione
alla comparsa di tumori e’ un aspetto di sindromi polimalformative a trasmissione
auosomica dominante (RAS)
Anche il protoncogene RET e’ particolare: le sue mutazioni con attivazione provocano la
MEN2A neoplasia delle ghiandole endocrine che si puo’ presentare come familiare. Si
ritiene che questo comportamento derivi dalla ristrettezza dell’espressione del
prodotto mutato di RET nello spazio e nel tempo. Da notare che mutazioni con perdita
di funzione di questo gene provocano una sindrome neonatale:Morbo di Hirschprung.
Anche il protoncogene KIT mutato con perdita di funzione provoca una sindrome
familiare con depigmentazione il piebaldismo.
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By NA
Attivazione protoncogeni
Amplificazione genica
conseguenza di errori casuali nella replicazione del DNA
Esempio: cromosomi double minutes e homogeneously staining regions (HSR)
double minutes
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Attivazione protoncogeni
Mutazione puntiforme
&Esempio: nel carcinoma della vescica, il gene ras
presenta una mutazione nella sostituzione di una singola
base che, a sua volta, provoca la sostituzione di un
amminoacido. Tali cambiamenti avvengono in punti
caratteristici del gene che conducono a trasformazione
cellulare
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Attivazione protoncogeni
Riarrangiamento cromosomico:linfoma di Burkitt t(8;14)
traslocazione
c-myc
gene catena
pesante Ig
L c-myc si viene a trovare sotto il controllo del promotore del Ig
che e’ un promotore forte e nella serie bianca funziona ad un ritmo
elevato: il proto-oncogene perde la propria regolazione e assume quella del
Ig. La cellula perde il controllo
M QUESTO AVVIENE SOLO SE LA TRASLOCAZIONE SI VERIFICA
NEI LINFOCITI!
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Attivazione protoncogeni
Nel 95% dei casi di CML
ABL
ABL/BCR
BCR
BCR/ABL
cromosoma non normale
chr Philadelphia (1961)
Indagini FISH E MOLECOLARI
Traslocazione reciproca braccio lungo
chr.9 e il braccio lungo chr.22:
t(9;22)(q34;q11).
CML, Leucemia Mieloide Cronica
SI FORMANO DUE GENI DI FUSIONE:
- ABL-BCR su DER9 (nessuna proteina prodotta)
- BCR-ABL su Ph (proteina di fusione coinvolta nella proliferazone
cellulare)
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Attivazione protoncogeni
By NA
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Attivazione protoncogeni
Chimeric genes produced
by cancer-specific chromosomal rear
rangements
Tumo r
Rearrangement
Chimeric gene
Nature of chimeric produ
CM L
t(9;22)(q34;q11)
BCR-ABL
Tyrosine kinase
Ewing sarcoma
t(11;22)(q24;q12)
EWS-FLI1
Transcription facto r
Ewing sarcoma (variant)
t(21;22)(q22;q12)
EWS-ERG
Transcription facto r
Malignant me lanoma of soft
parts
t(12;22)(q13;q12)
EWS-ATF1
Transcription facto r
Desmoplastic small round
cell tumor
t(11;22)(p13;q12)
EWS-W T1
Transcription facto r
Liposarcom a
t(12;16)(q13;p11)
FUS-CHOP
Transcription facto r
AM L
t(16;21)(p11;q22)
FUS-ERG
Transcription facto r
Papillary thyroid carci nom a
inv(1)(q21;q31)
NTRK1-TPM3(TRK
oncogene)
Tyrosine kinase
Pre-B cell ALL
t(1;19)(q23;p13.3)
E2A-PBX1
Transcription facto r
ALL
t(X;11)(q13;q23)
MLL-AFX1
Transcription facto r
ALL
T(4;11)(q21;q23)
MLL-AF4
Transcription facto r
ALL
t(9;11)(q21;q23)
MLL-AF9
Transcription facto r
ALL
t(11;19)(q23;p13)
MLL-ENL
Transcription facto r
Acute promyel ocytic
leukem ia
t(15;17)(q22;q12)
PML-RARA
Transcription factor+retinoic
acid recepto r
PAX3-FKHR
Transcription facto r
Alveolar rhabdomyosarcom
a t(2;13)(q35;q14)
ct
Note how the same gene may be involved in several different rear
rangements. For further details see
Rabbitts (1994). CML , chronic myeloid leukemi a; A LL, acute lymphob lastoid leukemia .
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Il materiale didattico e’ presente in rete:
http://www.dipartimentodibiologiabari.it/didattica
NON sono dispense, ma un ausilio allo studio sul
libro
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