Riparazione del DNA ed insorgenza dei tumori

Riparazione del DNA ed insorgenza
di tumori
Marco Muzi Falconi
Dip. Scienze Biomolecolari e Biotecnologie
Università degli Studi di Milano
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
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
Normalmente le cellule si dividono in maniera controllata
Cellule vecchie o danneggiate muoiono
Alterazioni del DNA possono influenzare la crescita e la
divisione cellulare
Cancro e stabilità del genoma
Cellule cancerose e precancerose mostrano un
alterazioni cromosomiche
Cariotipo
di una
cellula normale
Human
chromosomes
Chromosomes from a cancer cell
Cariotipo di una cellula tumorale
Cariotipo di un’altra cellula
Humantumorale
chromosomes
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
Il Problema
• 46 cromosomi, 6,5 miliardi di nucleotidi da replicare e segregare
• Il DNA deve essere riparato
Mantenimento della stabilità
genomica
replicazione
segregazione
Corretta alternanza replicazione-segregazione
Fedeltà di replicazione e segregazione
Riparazione
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.
Insorgenza di danni al DNA
Danni al DNA
Ogni giorno il DNA di ciascuna cellula subisce
almeno 50.000 lesioni
La natura chimico-fisica della lesione dipende
dall’origine delle lesione stessa
Ci sono lesioni più pericolose di altre
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)
Mutagenesi ambientale
BBQ
fumo
agenti alchilanti
chemioterapici
radiazioni ionizzanti
radiazioni UV
Mutazioni geniche
Mutazioni cromosomiche
Mutazioni genomiche
Riparazione del DNA
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
Perché riparare
20.000 depurinazioni giorno/cellula
10.000 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
La riparazione è molto efficiente
NER
BER
MMR
Cariotipo di un’altra cellula
Humantumorale
chromosomes
Chromosomes from a cancer cell
Cariotipo di una cellula tumorale
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
Checkpoint da danni al DNA
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?
Checkpoint da danni al DNA
La risposta a queste domande: ci pensa il
checkpoint da danni al DNA
Checkpoint da danni al DNA
Danni al DNA
checkpoints
Ciclo cellulare
Morte cellulare
(apoptosi)
Trascrizione
Replicazione del Riparazione e
DNA
ricombinazione
Checkpoint reagisce alla presenza di lesioni
sul DNA coordinando diversi processi
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
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
Il ciclo cellulare
danni al DNA
Segregazione
del genoma
danni al DNA
iDS
Duplicazione del
genoma
danni al DNA
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
G1
S
G2
M
Identificazione dei fattori di
checkpoint
Cellule normali dopo raggi X si arrestano
Mutanti nel checkpoint continuano a dividersi
Identificazione dei fattori di
checkpoint
untreated
WT
mec1-1
50 J/m2
0.02% MMS
Il checkpoint da danno al
DNA
S. cerevisiae
H.sapiens
Rad17, Mec3, Ddc1
Rad24, Rad9, MRX
hRAD1, hHUS1,
hRAD9, hRAD17,
BRCA1?, MRN
Sensori
Mec1, Tel1, Rad53,
Chk1
Trasduttori
RPA, Polα-primase,
Cdc28, Swi6, Pds1,
Cdc14, ...
Effettori
ATM, ATR, CHK2,
CHK1
RPA, p53,
CDC25, CDK, ...
RFC2-5
2
3
4
Rad24
5
Ddc2
Ddc1
P
RPA
P
P
Rad9
P
Rad9
P
P
P
Rad9
Rad53
RPA
RPA
P
Mec1
P
1
Ddc
Ddc2
RPA
P
RPA
RPA
Ra
d
17
Mec3
P
PRad53
P P
Rad9
Rad53
Targets
Danni a DNA ed insorgenza
di tumori
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
Bloom syndrome
WRN
BLM
Ricombinazione
Ricombinazione
Xeroderma Pigm.
HNPCC
BRCA1/2
NER complex
MSH, MLH
Checkpoint/ricomb.
NER
Checkpoint/MMR
Li-Fraumeni syndrome
p53, CHK2
Checkpoint
Fanconi Anemia
FANC proteins ICLRep/checkpoint
Sindromi genetiche con elevata
insorgenza di tumori
Ataxia telangiectasia
Werner syndrome
Bloom syndrome
Xeroderma pigment.
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%)
p53
a valle del checkpoint
promuove apoptosi
promuove arresto del ciclo cellulare in G1
mutazioni ereditarie
mutazioni sporadiche
mutato nella maggior parte dei pazienti
p53 è attivato dal checkpoint
danno al DNA
ATM
MDM2
p53
Chk2
X
p53 inattivo e instabile
geni target sono spenti
MDM2
P
P
p53
p21, Bax
p53 attivo e stabile
geni target sono accesi
danno al DNA
p53+
p53 aumenta e si attiva
arresto del ciclo cellulare
danno al DNA
p53-
p53 assente
ciclo cellulare non si arresta
riparazione prima della
divisione
apoptosi
divisione in presenza di
danni: mutazioni,
perdita di cromosomi
problemi di divisione,
letalità
Danni al DNA e terapia dei
tumori
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
Problemi:
farmaco causa mutazioni
possibile sviluppo di tumori secondari
Cisplatino
molto efficiente nel trattamento di tumori
testicolari metastatici
utilizzato per diversi altri tumori
Cisplatino
Principali limitazioni:
effetti collaterali tossici
meccanismi di resistenza
innati
acquisiti
Azathioprin (Aza)
immunosppressivo
aumenta probabilità di carcinomi cutanei
6-TG interagisce con UVA generando ROS
6-TG genera un fotoprodotto che blocca la
replicazione
Radioterapia
Radiazioni ionizzanti generano DSBs
DSBs attivano il checkpoint via ATM
inibitori specifici di ATM
Tumori dovuti a mutazioni BRCA1/2 hanno
difetti nella riparazione delle rotture del DNA
Inibitori della PARP possono eliminare
specificamente queste cellule tumorali
Agenti alchilanti
sono molto utilizzati
molti melanomi metastatici non rispondono
resistenza è dovuta a AGT, enzima riparativo
inibizione di AGT sensitivizza il tumore
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