GENETICA DEI TUMORI

GENETICA DEI TUMORI
D.ssa Lisa Fusetti
[email protected]
OBIETTIVI DIDATTICI
• PRINCIPI DI BASE DI GENETICA DEI TUMORI
• ONCOGENI/ONCOSOPPRESSORI
• INSTABILITA’ GENICA/FAMILIARITA’
• STUDI DI POPOLAZIONE
• ESEMPI DI TUMORI A STORIA GENETICA
NOTA
• SIGNIFICATIVITA’ DEL “GENETIC
COUNSELLING”
Lisa Fusetti
2
PRINICIPI DI BASE DI GENETICA DEI TUMORI
Trasformazione tumorale di una cellula normale:
• almeno 6 mutazioni specifiche
• normale tasso di mutazione di una cellula è di 10-7 per gene
• numero totale di geni per cellula: 106
• numero di cellule per persona 1013
La probabilità che una persona sviluppi tumore è 1013 x 10-42,
cioè 1:1029
Lisa Fusetti
3
Nonostante ciò il cancro si sviluppa
a causa della
combinazione di due meccanismi:
• mutazioni che aumentano la proliferazione cellulare:
popolazione espansa di cellule in cui può verificarsi la
successiva mutazione
• mutazioni che diminuiscono la stabilità del genoma: aumento
del tasso di mutazione complessivo
Lisa Fusetti
4
Poiché il tumore dipende da questi stessi due meccanismi, si
sviluppa per stadi:
IPERPLASIA (crescita benigna)  TUMORE MALIGNO
L’instabilità cromosomica dei tumori maligni è ben visibile nei
cariotipi aberranti
Lisa Fusetti
DA: GENES, CHROMOSOMES & CANCER 1999, 24:213-221
5
Le mutazioni possono essere germinali (a trasmissione
mendeliana) e/o sporadiche.
Le mutazioni germinali tumorali conferiscono suscettibilità al
cancro, perché si sviluppi tumore occorre una mutazione somatica
detta anche sporadica essendo un evento casuale
 Trasmissione mendeliana comporta la preesistenza di una
mutazione germinale, un tumore sporadico origina invece da una
mutazione somatica
DA:GENETICS IN MEDECINE
THOMPSON &THOMPSON
Lisa Fusetti
6
ONCOGENI/ONCOSOPPRESSORI
Le mutazioni tumorali interessano geni che controllano la
proliferazione, il differenziamento e la morte cellulare:
• ONCOGENI  PROTO-ONCOGENI: mutazioni “gain of
function”, per lo più in eterozigosi, spesso mutazioni
somatiche
• GENI ONCOSOPPRESSORI: mutazioni “loss of function”,
solo in omozigosi
Lisa Fusetti
7
PROTO-ONCOGENI
Circa la normale funzione degli oncogeni cellulari (protooncogeni) si possono distinguere cinque classi principali:
• fattori di crescita (SIS)
• recettori di superficie (ERBB)
• componenti del sistema intracellulare di trasduzione del
segnale (RAS, ABL)
• proteine che si legano al DNA, fattori di trascrizione (MYC,
JUN)
• cicline, chinasi ciclino-dipendenti e loro inibitori (regolatori
del ciclo cellulare)
Lisa Fusetti
8
 L’attivazione di un proto-oncogene può essere quantitativa e/o
qualitativa
 Quasi sempre sono mutazioni somatiche (quelle germinali sono
per lo più letali)
 Le modalità di attivazione sono:
• amplificazione, citogeneticamente evidenziabile come double
minute o HSR (Homogenously Staining Regions), es. Myc
• mutazioni puntiformi, es Ras
• traslocazioni cromosomiche che creano geni chimerici, es.
cromosoma Philadelphia
• trasposizione in un dominio di cromatina attiva, es. linfoma di
Burkitt
Lisa Fusetti
PROTO-ONCOGENI
9
IBRIDAZIONE GENOMICA COMPARATIVA (CGH)
Si utilizza una miscela di DNA di cellule normali e tumorali in una
FISH comparativa e con l’aiuto di uno scanner si individuano le
regioni cromosomiche in cui il rapporto tra i segnali FISH dei due tipi
di DNA devia dai valori attesi sia come amplificazione che come
delezione.
DA: GENES,
CHROMOSOMES &
CANCER 1999, 24:213221
Lisa Fusetti
PROTO-ONCOGENI 10
Geni chimerici prodotti da riarrangiamenti cromosomici
specifici di alcuni tumori
DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL
Lisa Fusetti
PROTO-ONCOGENI
11
CROMOSOMA PHILADELPHIA
DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL
Lisa Fusetti
PROTO-ONCOGENI 12
LINFOMA DI BURKITT
DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL
Lisa Fusetti
PROTO-ONCOGENI
13
ONCOSOPPRESSORI
• spesso sono già presenti come mutazioni germinali
• le mutazioni comportano una perdita di funzione
• sono stati scoperti utilizzando tre diversi approci di ricerca: il
clonaggio posizionale dei geni che determinano tumori rari
ereditari, analisi di LOH (perdita di eterozigosi) e/o CGH, analisi
dei tumori diretta verso geni noti coinvolti nella regolazione del
ciclo cellulare.
• molti geni oncosoppresori sono silenziati con modalità
epigenetiche, ad esempio per metilazione del DNA nelle
zone/isole CpG: è stato dimostrato per CDKN2A, VHL, RB1 e
MLH1
Lisa Fusetti
14
Retinoblastoma
• 40% dei casi ereditato come carattere autosomico dominante
con penetratnza incompleta
• il locus Rb è stato mappato in 13q14
• frequentemente nei casi familiari è bilaterale.
Su questo tumore è stata formulata l’ipotesi di Knudson dei due
stadi. Secondo tale ipotesi occorrono due mutazioni successive
per trasformare una cellula normale in tumorale, nel caso del
Retinoblastoma familiare una delle due è ereditata
Lisa Fusetti
DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL
ONCOSOPPRESSORI
15
Meccanismi di perdita di funzione dei geni oncosoppressori
DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244
Lisa Fusetti
ONCOSOPPRESSORI
16
Tumori rari familiari:
DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL
Lisa Fusetti
ONCOSOPPRESSORI
17
INSTABILITA GENICA/FAMILIARITA’
 I tumori si possono suddividere in sporadici e familiari
 Il 5% dei casi di tumore ha base familiare
 L’eredità tumorale è su base multifattoriale
 Eredità tumorale significa predisposizione allo sviluppo
Lisa Fusetti
18
PREDISPOSIZIONE AL CANCRO
• geni rari, ereditati nella linea germinale, sono responsabili
della comparsa di molteplici casi di tumore in una stessa
famiglia, vengono identificati per linkage genetico e clonaggio
posizionale:es. Rb e p53
• geni ad alta penetranza: es. APC, BRCA1 e BRCA2
Lisa Fusetti
19
COME SI SVILUPPA IL CANCRO?
• ipotesi di Knudson: comporta il coinvolgimento di un
unico gene deputato al controllo intracellulare della
proliferazione
• cancro come disordine poligenico: il bersaglio delle
mutazioni tumorali non è un solo gene, ma piuttosto la fitta
rete di segnali che una cellula invia e riceve in un tessuto e
nello stroma
L’accumulo di evidenze sperimentali e cliniche sembra
avvalorare sempre più l’ipotesi del cancro come disordine
poligenico: esemplare è il caso del cancro al seno.
Lisa Fusetti
20
STUDI DI POPOLAZIONE
Cancro al seno
Studi epidemiologici di popolazione hanno dimostrato che
soltanto il 15-20% dei casi di cancro al seno familiare presenta
mutazioni nei geni BRCA1 e BRCA2; il rimanente 80-85% dei
casi di rischio familiare ha sempre base genetica ma
multifattoriale, cioè sono coinvolti altri geni oltre a BRCA1/2
DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244
Lisa Fusetti
21
L’ipotesi di una predisposizione su base poligenica da sola
non è sufficiente per spiegare i dati di trasmissibilità
genetica del cancro al seno
Lisa Fusetti
DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244
22
Una caratteristica fondamentale di tutte le cellule tumorali è
l’instabilità genomica causata da:
• mutazioni ereditate che controllano l’integrità del genoma
• mutazioni somatiche acquisite durante lo sviluppo del
tumore
Lisa Fusetti
DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244
23
“MULTISTAGE MODEL” di sviluppo tumorale
Si assume che ogni evento mutageno importante conferisce
un vantaggio clonale selettivo alla cellula in cui avviene per
un successivo evento mutageno così via fino allo sviluppo di
un tumore maligno. Permane però poco spiegata la differenza
tra:
• Eventi mutazionali precoci e tardivi
• Ruolo dell’instabilità genomica nella progressione tumorale
DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL
Lisa Fusetti
24
MODELLO DI VOGELSTEIN PER LO SVILUPPO DEL
CARCINOMA COLONRETTALE
Lisa Fusetti
25
La suscettibilità/predisposizione allo sviluppo di un tumore
risulta essere più un gioco combinato di alleli ereditati di geni
che danno una debole predisposizione al tumore e mutazioni
somatiche responsabili della progressione tumorale.
Lisa Fusetti
DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244
26
Eventi genomici, genetici e epigenetici sono strettamente
collegati nella formazione del tumore, anche nei tumori che
sembrano
insorgere
spontaneamente
come
mutazioni
somatiche.
• Studi di popolazione di incidenza del cancro
• Studi genetici classici per la scoperta dei geni coinvolti e dei
loro meccanismi d’azione
Lisa Fusetti
27
ESEMPI DI TUMORI A “STORIA GENETICA” NOTA
• Cancro al seno
• Cancro all’ovaio
• Cancro al polmone
• Cancro al colon
• Tumori dell’infanzia
• Sindrome Li-Fraumeni
Lisa Fusetti
28
CANCRO AL SENO
 Circa il 10% dei casi di tumore al seno si “raggruppa” in
famiglie: questi casi sono indicativi di mutazioni germinali con
alta penetranza in un piccolo numero di geni (es.BRCA1 e
BRCA2) che danno alto rischio di tumore
 La maggior parte sono casi sporadici originati da mutazioni
multiple a bassa penetranza in un ampio gruppo di geni (es.p53,
PTEN,..)
 Il 15-20% dei casi familiari hanno mutazioni nei geni BRCA1
(17q21) e BRCA2 (13q12):
• i loro prodotti sono coinvolti in processi di DNA repair,
ricombinazione, controllo del ciclo cellulare e trascrizione
• sono geni oncosoppressori
• hanno modalità di trasmissione autosomica-dominante, con
penetranza del 70-80%
Lisa Fusetti
29
BRCA1 E BRCA2
 Sono note centinaia di mutazioni a carico dei due geni, sia nonsense sia frame-shift, che danno proteine tronche; frequentemente il
tipo di mutazione è specifico per famiglia/gruppo etnico
 Mutazioni in BRCA1/2 sono presenti:
• 5.9-9.4% donne sotto i 35 anni
• 12-13.2% donne sotto i 45 anni con un familare affetto
• dopo la menopausa il rischio dimunuisce nelle donne con
mutazione in BRCA1 e aumenta nel caso di mutazione in
BRCA2
• tumori che hanno mutazioni in BRCA1/2 hanno comparsa
precoce prima dei 35 anni
Lisa Fusetti
BREAST CANCER
30
GENETIC COUNSELLING
DA: CANCER TREATMENT
REVIEWS 2001, 27:295-304
Lo screening per mutazioni in BRCA1 e BRCA2 è consigliato
anche per soggetti sani indipendentemente dalla loro storia
familiare, in famiglie ad alto rischio spesso si pesenta anche il
fenomeno dell’anticipazione in cui il tumore si sviluppa sempre
più precocemente nelle generazione successive.
Lisa Fusetti
BREAST CANCER
31
CANCRO ALL’OVAIO
Una storia familiare di cancro all’ovaio conferisce un
aumentato rischio di sviluppo di tumore.
DA: BEST PRACTICE & RESEARCH CLINICAL OBSTETRICS AND GYNAECOLOGY 2002, 16:449-468
Lisa Fusetti
32
 Non sono stati ancora identificati geni che conferiscano da soli
un’aumentata suscettibilità al cancro all’ovaio
 Famiglie con almeno 4 casi di cancro all’ovaio: per 2/3
mutazioni in BRCA1/2
 Famiglie con 2 casi di cancro all’ovaio: per 1/5 mutazioni in
BRCA1/2
 Linkage
con
cancro
al
seno,
HNPCC
(Hereditary
NonPoliposis Colonrectal Cancer), sindrome di Lynch: in genere
la suscettibilità allo sviluppo di questi tumori è data da difetti nel
sistema del “Mismatch Repair” (MMR)
 Il “genetici counselling” è consigliato solo in casi di forte
familiarità per il cancro al seno
Lisa Fusetti
0VARIAN CANCER
33
CANCRO AL POLMONE
E’ un tumore ad origine multigenica
Lisa Fusetti
DA:ONCOGENE 2002, 21:7421-7434
34
 Particolarmente interessanti sono i geni p53 e FHIT:
entrambi presentano anomalie nel tumore al polmone
strettamente correlate con lo sviliuppo dell’iperplasia
 Trascritti anomali di FHIT si riscontrano nel 80% dei casi
di SCLC (Small Cell Lung Cancer) e 42% di NSCLC (NonSmall Cell Lung Cancer)
 FHIT è un target preferenziale di carcinogeni come il
tabacco si pensa a causa di una regione fragile all’interno del
gene stesso (FHIT=Fragile Histidine Triade)
Lisa Fusetti
DA: EUR.J.CANCER 2001, 37 SUPPL:S63-73
LUNG CANCER
35
CANCRO AL COLON
 Circa il 5% delle persone è destinato a sviluppare cancro al
colon-retto
 Sono descritti tre diversi tipi:
• sporadico: circa il 70% dei casi
• ereditario: circa il 10% dei casi
• familiare: circa il 25% dei casi
Lisa Fusetti
DA: ANN INTERN MED 2002, 137:603-612
36
Genetic counselling:
DA:ANN INTERN MED 2002, 137:603-612
Lisa Fusetti
COLONRECTAL CANCER
37
TUMORE DI WILMS
 E’ il tumore più frequente fra quelli pediatrici, colpisce circa
1:10.000 bambini sotto i 15 anni
 Spesso origina da mutazioni somatiche
 In alcuni casi origina da mutazioni germinali ereditate o de
novo
 WT1 è stato il primo gene associato a questo tipo di tumore, in
realtà è riscontrabile in molte patologie
Lisa Fusetti
DA:CURRENT OPINION IN PEDIATRICS 2002, 14:5-11
38
Il tumore di Wilms è stao uno dei modelli su cui è stata formulata
l’ipotesi di Knudson, poi implementata da altre ipotesi di
meccanismi genetici attivanti
DA:CURRENT OPINION IN PEDIATRICS 2002, 14:5-11
Lisa Fusetti
WILMS TUMOR
39
TUMORI DESMOPLASTICI
 I tumori desmoplasti sono meglio definiti come DSRCT
(Desmoplastic Small Round Cell Tumors): sono un gruppo
eterogeneo di neoplasie indifferenziate senza una precisa
caratterizzazione istologica
 Sono tumori giovanili: circa l’80% dei casi in bambini o
ragazzi
 Sono stati da subito bersaglio di molti studi geneticomolecolari a scopo diagnostico
 Comprendono:
• Ewing sarcoma
• Peripheral Primitive Neuroectodermal Tumors (pPNET)
• Alveolar Rhabdomyosarcoma
• Clear Cell Sarcoma
• Extraskeletal Myxoid Chondrosarcoma
• Myxoid Lyposarcoma
Lisa Fusetti
40
Quasi tutti sono associati ad una ben precisa traslocazione
cromosomica che ha come prodotto una proteina di fusione
DA: CANCER GENETICS AND CYTOGENETICS
2002, 138:1-10
Lisa Fusetti
DESMOPLASTIC TUMORS
41
Le traslocazioni coinvolgono nella maggiorparte dei casi in
gene EWS e come controparte i geni WT1, FLI1, , ERG,…con
diversi punti di fusione
DA: CANCER GENETICS AND CYTOGENETICS 2002, 138:1-10
Specificatamente per questi tipi di tumore è necessaria la diagnosi
molecolare non essendo risolutiva né quella istologica né quella
citologica
Lisa Fusetti
DESMOPLASTIC TUMORS
42
SINDROME LI-FRAUMENI
Identifica una “famiglia” di tumori, con diversi tipi di cancro
(sarcomi, tumore al seno, tumore al colon,…). Il danno genetico è
una mutazione germinal nel gene p53 che conferisce un’alta
instabilita genomica
Lisa Fusetti
DA:GENETICS IN MEDECINE THOMPSON &THOMPSON
43
BIBLIOGRAFIA
•GENETICA UMANA E MOLECOLARE STRACHAN T, READ AP UTET ED. 1999-2001
ITALIANA
• GENETICS IN MEDECINE THOMPSON & THOMPSON SAUNDERS COMPANY
FIFTH EDITION
• Nicoletto MO et Al, BRCA-1 and BRCA-2 mutations as prognostic factors in clinical
practice and genetic counselling. Cancer Treat Rev. 2001 Oct;27(5):295-304
• Pharoah PD, Ponder BA The genetics of ovarian cancer. Best Pract Res Clin Obstet
Gynaecol. 2002 Aug;16(4):449-68
• Sandberg AA, Bridge JA. Updates on the cytogenetics and molecular genetics of bone and
soft tissue tumors. desmoplastic small round-cell tumors. Cancer Genet Cytogenet. 2002 Oct
1;138(1):1-10
• Dome JS, Coppes MJ. Recent advances in Wilms tumor genetics. Curr Opin Pediatr. 2002
Feb;14(1):5-11
• Fearnhead NS, Wilding JL, Bodmer WF. Genetics of colorectal cancer: hereditary aspects
and overview of colorectal tumorigenesis. Br Med Bull. 2002;64:27-43
• Calvert PM, Frucht H. The genetics of colorectal cancer. Ann Intern Med. 2002 Oct
Lisa Fusetti
1;137(7):603-12
44
•Sozzi G. Molecular biology of lung cancer. Eur J Cancer. 2001 Oct;37 Suppl 7:S63-7
• Osada H, Takahashi T. Genetic alterations of multiple tumor suppressors and oncogenes
in the carcinogenesis and progression of lung cancer. Oncogene. 2002 Oct
21;21(48):7421-34
• Tosi S, Giudici G, Rambaldi A, Scherer SW, Bray-Ward P, Dirscherl L, Biondi A,
Kearney L. Characterization of the human myeloid leukemia-derived cell line GF-D8 by
multiplex fluorescence in situ hybridization, subtelomeric probes, and comparative
genomic hybridization. Genes Chromosomes Cancer. 1999 Mar;24(3):213-21.
• Balmain A, Gray J, Ponder B. The genetics and genomics of cancer. Nat Genet. 2003
Mar;33 Suppl:238-44
• Venkitaraman AR. Cancer susceptibility and the functions of BRCA1 and BRCA2. Cell.
2002 Jan 25;108(2):171-82
• Weber W, Estoppey J, Stoll H. Familial cancer diagnosis. Anticancer Res. 2001 Sep-
Oct;21(5):3631-5
• Frank-Stromborg M, Ganschow JR. Legal issues in the early detection and monitoring
of cancer. Semin Oncol Nurs. 2002 May;18(2):128-34
Lisa Fusetti
45