Il cancro
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I tumori
a In un animale giovane, l’entità della moltiplicazione cellulare è maggiore di
quella della morte cellulare e l’animale aumenta di dimensioni;
a In un animale adulto i processi di proliferazione e morte cellulare si
bilanciano, determinando una condizione di equilibrio.
a Alcune cellule dell’adulto hanno un rinnovamento molto rapido (es.: cellule
intestinali, alcuni globuli bianchi), altre non sono mai sostituite (es. alcune
cellule celebrali)
a Se i raffinati meccanismi che regolano la moltiplicazione cellulare si
“guastano” una cellula inizia a crescere e a dividersi in modo sregolato. Se
la predisposizione a dividersi è ereditata dalle cellule figlie si può generare un
clone che può dare origine ad una massa cellulare chiamata tumore.
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Il cancro: una malattia a base genetica
a Il cancro è causato da mutazioni del DNA.
a Tra il cancro e le malattie genetiche ci sono 2 differenze fondamentali:
a) Il cancro dipende da mutazioni del DNA delle cellule somatiche (salvo
mutazioni ereditarie che determinano la predisposizione ad alcune forme di
cancro).
Le malattie genetiche sono causate da mutazioni del DNA della linea
germinale
b) Le malattie genetiche possono essere il risultato di mutazioni in singoli
geni; il cancro è il risultato di un numero di mutazioni che può variare da 3 a
addirittura 20.
a Per generare tante mutazioni sono necessari anni, e pertanto il cancro è
prevalentemente una malattia degli animali anziani.
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I tumori benigni
•
I tumori benigni compaiono molto frequentemente, soprattutto negli animali anziani,
ma spesso costituiscono un piccolo rischio per l’ospite essendo localizzati e di
piccole dimensioni
•
Le cellule di un tumore benigno hanno caratteristiche citologiche e funzionali simili a
quelle delle cellule normali.
•
In genere, i tumori benigni sono delimitati da una capsula fibrosa e possono essere
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facilmente asportati chirurgicamente
.
I tumori maligni
a I tumori maligni generalmente non rimangono localizzati nel sito di origine,
ma invadono i tessuti circostanti, entrano in circolazione attraverso i vasi
sanguigni e costituiscono aree di proliferazione distanti dal sito iniziale
d’insorgenza (metastasi).
a Le principali caratteristiche che differenziano le cellule tumorali maligne da
quelle benigne sono l’invasività e la capacità di diffondere.
a Le cellule maligne, rispetto a quelle normali ed anche a quelle benigne,
sono meno differenziate e presentano le caratteristiche di cellule in fase di
rapida crescita (elevato rapporto nucleo/citoplasma, numerose mitosi,
poche strutture specializzate)
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Visione macroscopica e microscopica di un
tumore che invade il tessuto normale del fegato
Metastasi epatica di un tumore polmonare
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Classificazione dei tumori maligni
a I tumori maligni sono classificati come:
carcinomi, se derivano dall’endoderma o dall’ectoderma
sarcomi, se derivano dal mesoderma.
a Le leucemie (dal latino “sangue bianco”), un tipo di sacomi, si presentano
sotto forma di singole cellule in circolo del sangue, mentre la maggior parte
degli altri tumori sono masse solide
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La lamina basale
La localizzazione di un tipo cellulare
normale in un determinato tessuto od organo
viene mantenuto dal riconoscimento tra le
cellule e da barriere fisiche, tra cui la più
importante è la lamina basale.
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Alla malignità sono associate alterazioni delle interazioni
intercellulari
a Le cellule metastatiche rompono i contatti con le altre cellule del loro tessuto di
origine e superano gli impedimenti costituiti dalla lamina basale e da altre barriere per
poter entrare in circolo e colonizzare altre sedi.
a Spesso le cellule maligne invadono i tessuti circostanti prima di diffondere verso siti
distanti attraverso il sistema circolatorio.
a Le cellule tumorali possono produrre elevati livelli di recettori di superficie per
proteine o polisaccaridi della lamina basale (collagene, proteoglicani,
glicosamminoglicani) e secernono enzimi che digeriscono la componente proteica di
tali molecole.
a Molte cellule tumorali secernono una proteasi chiamata attivatore del plasminogeno,
che converte il plasminogeno, una proteina abbondante del siero, nella proteasi attiva
plasmina.
a La plasmina promuove le metastasi aiutando le cellule tumorali a digerire la lamina
basale
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La metastasi: una dura selezione
a Meno di una cellula su 10.000 tra quelle che abbandonano il tumore
primario sopravvive e riesce a colonizzare un altro tessuto formando un
tumore metastatico secondario.
a Una cellula per formare una metastasi deve:
•
avere accesso ad un vaso;
•
aderire ad una cellula endoteliale della parete interna di un vaso;
•
migrare nel tessuto sottostante;
•
essere capace di moltiplicarsi in mezzo a cellule di tipo diverso;
•
stabilire adesioni specializzate con le cellule circostanti.
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I passaggi del processo di metastatizzazione
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Affinchè i tumori aumentino di dimensioni è necessaria la
formazione di nuovi vasi sanguigni
a Affinchè un tumore diventi di grandi dimensioni (>2mm), è necessaria la
formazione di nuovi vasi sanguigni (angiogenesi).
Angiogenesi:
degradazione lamina basale che circonda un capillare poco distante dal tumore;
migrazione delle cellule endoteliali della parete interna del capillare nel tumore
divisione di queste cellule endoteliali e formazione di una nuova membrana basale
intorno al capillare in formazione.
a Molte cellule tumorali secernono fattori di crescita che stimolano
l’angiogenesi (es.: bFGF, TGFα, VEGF=vascular endotelial growth factor)
a Nell’animale adulto, a differenza che nell’embrione, non si formano nuovi
vasi: un inibitore dell’angiogenesi può essere un buon farmaco contro i
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tumori.
Il DNA estratto da cellule tumorali può
trasformare cellule normali in coltura
Cellule 3T3 normali
Cellule 3T3 trasformate con v-src
Le cellule che continuano a crescere anche quando le cellule normali sono diventate
quiescenti sono dette trasformate.
Le cellule trasformate hanno molte caratteristiche tipiche delle cellule dei tumori
maligni (modificazioni morfologia, perdita inibizione da contatto, crescita in assenza di
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adesioni, minore richiesta di fattori
di (c)crescita,
secrezione
attivatore del plasminogeno)
Identificazione e clonaggio molecolare di una
specifica sequenza di DNA che causa
trasformazione
(es.: carcinoma umano
della vescica)
1/106 cells
Questa tecnica ha permesso di isolare una forma mutante del gena ras, rasD
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La trasformazione neoplastica
a L’espressione della proteina RasD non è sufficiente a causare la
trasformazione di fibroblasti normali di uomo, ratto o topo in coltura
primaria.
a Le cellule 3T3, che possono crescere in coltura indefinitamente, già
presentano una mutazione del gene p16, che codifica un inibitore della
ciclina chinasi che limita la progressione delle cellule attraverso il ciclo
cellulare.
a Per la trasformazione delle cellule 3T3 sono necessarie sia la perdita di
p16, sia l’espressione di una proteina Ras costitutivamente attivata (RasD).
a La mutazione del gene ras è stata associata a varie forme di cancro, ma
non è stata mai identificata nel DNA di cellule umane normali.
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Oncogeni e protooncogeni
a Qualsiasi gene che, come rasD, codifica una proteina capace di
trasformare cellule in coltura o di indurre il cancro negli animali
in laboratorio viene chiamato oncogene.
a Il gene di tipo normale (o selvatico) da cui deriva l’oncogene
viene chiamato proto-oncogene.
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Affinchè un tumore maligno si sviluppi sono
necessarie parecchie mutazioni
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Dati epidemiologici
•
L’incidenza di molti tipi di
cancro
umano
aumenta
notevolmente ed in modo
esponenziale con l’età
•
Gli studi epidemiologici del
cancro
dell’uomo
suggeriscono che affinchè
una
cellula
normale
si
trasformi in una cellula
maligna
sono
necessarie
numerose mutazioni
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Modello di “lesioni multiple (multiple hits)”
a Secondo il modello di “lesioni multiple”, i tumori maligni si originano
mediante un processo di selezione clonale.
a Una mutazione conferirebbe ad una cellula un leggero vantaggio nel
processo di crescita
a Una seconda mutazione permetterebbe ad una cellula della progenie di
moltplicarsi in modo ancora più svincolato portando alla formazione di
un tumore benigno.
a Una terza mutazione Æ cancro
a Quarta mutazione Æ metastasi
a Occorrono molti anni per accumulare tante mutazioni e per questo
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motivo l’incidenza dei tumori
aumenta con l’età
Mutazioni somatiche nei tumori
dell’uomo confermano il
modello multi hit
Polipi
Adenomi
benigni
a Il
cancro
del
colon
evolve
attraverso stadi morfologicamente
distinti che, in genere, sono
associati a mutazioni di specifici
antioncogeni ed oncogeni.
a Il primo stadio implica la perdita
della funzione del gene APC, un
antioncogene. Non tutti i tumori del
colon presentano tutte le mutazioni
Carcinomi
successive e nello stesso ordine
Metastasi
a Il prodotto genico di APC inibisce la
capacità della proteina Wnt di
attivare l’espressione del gene myc,
che codifica per un fattore
trascrizionale
importante
per
l’espressione di geni necessari per
la transizione G1 Æ S.
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Mutazioni ereditarie in geni soppressori tumorali
aumentano il rischio di cancro
a I soggetti con mutazioni ereditarie di un antioncogene (es. APC ) hanno
una predisposizione ereditaria per alcuni tipi di cancro.
a Questi individui ereditano una mutazione di uno degli alleli del gene
presente nella linea germinale.
a La mutazione somatica del secondo allele è necessaria per favorire la
formazione di tumori. La sola mutazione ereditaria presente nella linea
germinale non è infatti sufficiente a causare lo sviluppo di un cancro.
a Dal momento che, perchè si avvii il processo di trasformazione
neoplastica, è necessaria soltanto la perdita o la mutazione somatica
dell’altro allele funzionale, e non la comparsa contemporanea di due
mutazioni, i tumori in questi individui si sviluppano più precocemente e
spesso si ha la formazione di numerosi tumori primari.
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Un anomalo aumento dell’espressione di più
oncogeni accellera la cinetica della comparsa di
tumori
a I periodi di latenza che precede
la formazione dei tumori è
causata dalla necessità di
acquisire ulteriori mutazioni
somatiche.
Topi transgenici che esprimono gli oncogeni myc e/o rasD
nelle cellule della ghiandola mammaria
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I tumori maligni si originano in cellule in fase
di crescita
a Per portare alla formazione di un tumore maligno, le mutazioni
oncogeniche devono comparire in cellule in fase di crescita, in modo da
poter essere trasmesse alle cellule della progenie.
a Mutazioni in cellule che non si dividono (neuroni, fibre muscolari)
raramente inducono il cancro.
a I tumori possono insorgere in tessuti composti da cellule differenziate che
non si dividono, ma che continuamente vengono sostituite mediante il
differenziamente di cellule staminali (es.: eritrociti, epitelio di
assorbimento intestino tenue, cellule cheratinizzate della pelle).
a Poichè le cellule staminali si dividono ininterrottamente durante la vita di
un organismo, producendo altre cellule staminali, nel loro DNA possono
accumularsi mutazioni oncogeniche che provocano la loro trasformazione
in cellule tumorali.
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La produzione di cellule differenziate (D) da cellule
staminali (S)
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Formazione delle cellule differenziate del sangue dalle
cellule staminali ematopoietiche del midollo osseo
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I proto-oncogeni e gli antioncogeni
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Proto-oncogeni ed oncogeni: i sette tipi di proteine che
contribuiscono al controllo della crescita cellulare
a Fattori di crescita e proteine virali
che attivano i recettori dei fattori di
crescita (I e Ia)
a Recettori per i fattori di crescita
(intracellulari ed extracellulari - II)
a Proteine per la trasduzione del
segnale (III)
a Fattori di trascrizione (IV)
a Proteine pro- e anti-apoptotiche (V)
a Proteine per il controllo del ciclo
cellulare (VI)
a Proteine per la riparazione del DNA (VII)
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Proto-oncogeni ed oncogeni: i sette tipi di proteine che
contribuiscono al controllo della crescita cellulare
= oncogeni, mutazioni dominanti
a Fattori di crescita e proteine virali
che attivano i recettori dei fattori di
crescita (I e Ia)
a Recettori per i fattori di crescita
(intracellulari ed extracellulari - II)
= soppressori dei tumori,
mutazioni recessive
a Proteine per la trasduzione del
segnale (III)
= aumentano il rischio che possano
generarsi mutazioni nelle altre classi
di proteine
a Fattori di trascrizione (IV)
a Proteine pro- e anti-apoptotiche (V)
a Proteine per il controllo del ciclo
cellulare (VI)
a Proteine per la riparazione del DNA (VII)
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Le mutazioni che portano ad un incremento della
funzione convertono i proto-oncogeni in oncogeni
a La conversione, o l’attivazione, di un proto-oncogene in oncogene comporta
una mutazione che porta ad un incremento della funzione.
a Almeno tre meccanismi possono produrre oncogeni dai corrispondenti
proto-oncogeni:
Le mutazioni puntiformi di un proto-oncogene che portano alla sintesi di
una proteina costitutivamente attiva.
La duplicazione localizzata (amplificazione genica) di un segmento di
DNA che comprende un proto-oncogene, con conseguente anomalo
aumento dell’espressione della proteina codificata.
Una traslocazione cromosomica che porta un gene che regola la
crescita cellulare sotto il controllo di un promotore e/o un enhancer
diverso, provocando un’espressione elevata del gene.
a Le mutazioni che portano ad un incremento della funzione agiscono come
dominanti: la mutazione di uno solo dei due alleli è sufficiente ad indurre il
cancro.
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Gli oncogeni sono stati identificati inizialmente nei
retrovirus che causano il cancro
a Oncogeni nei retrovirus:
Il virus del sarcoma di Rous (RSV, 1911), oltre ai geni virali (gag,
pol ed env) contiene il gene v-src che è necessario per l’induzione
del cancro ma non per la funzione virale.
Le cellule normali possiedono un gene strettamente correlato al
gene v-src (c-src,1977 Bishop e Varmus), che codifica per una
tirosina-chinasi.
Il gene normale (c-src) è il proto-oncogene, mentre il gene virale
(v-src) è un oncogene che codifica per una protein-chinasi
mutante constitutivamente attiva.
a Molti altri oncogeni, derivati da proto-oncogeni cellulari sono stati
identificati in diversi retrovirus
(es.: Ha-ras nel virus del sarcoma di Harvey)
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I retrovirus ad azione lenta possono attivare i
proto-oncogeni cellulari
a I retrovirus ad azione lenta,
che inducono il cancro
dopo un periodo di mesi o
anni, non possiedono un
oncogene.
a Il virus della leucemia
aviaria è un esempio di
retrovirus ad azione lenta.
a Il retrovirus ad azione lenta
possono
provocare
il
cancro
in
seguito
all’integrazione del loro
genoma in prossimità di un
proto-oncogene, in modo
da
provocare
un’attivazione continua o
non
appropriata
della
trascrizione
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Molti virus a DNA contengono oncogeni
a La maggior parte delle cellule animali muore in seguito all’infezione ad
opera di piccoli virus a DNA (es.: SV40), ma in una piccola percentuale di
casi il DNA virale viene integrato nel genoma della cellula ospite.
a Le cellule sopravvivono all’infezione ma possono essere trasformate in
modo permanente in quanto il DNA virale contiene uno o più oncogeni.
a A differenza degli oncogeni retrovirali, che derivano da geni cellulari
normali e che non hanno alcuna funzione per il virus, gli oncogeni presenti
nel genoma dei virus a DNA sono parte integrale del genoma virale e sono
necessari per la sua replicazione.
a Le oncoproteine codificate dal DNA virale integrato ed espresse nelle
cellule infettate agiscono stimolando la crescita e la moltiplicazione
cellulare.
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Le mutazioni che portano alla perdita della funzione
degli antioncogeni sono oncogeniche
a Gli antioncogeni codificano proteine che in un modo od in un altro inibiscono la
proliferazione cellulare.
a La perdita di uno o più di questi “freni” contribuisce all’insorgenza del cancro.
a 5 classi di proteine codificate da antioncogeni:
Recettori per ormoni secreti (TGF-β) che inibiscono la moltiplicazione cellulare
Proteine intracellulari che regolano od inibiscono la progressione attraverso
specifiche fasi del ciclo cellulare (es.: inibitore della ciclina chinasi p16)
Proteine responsabili dei check points che arrestano il ciclo se il DNA è
danneggiato
Proteine che promuovono l’apoptosi
Enzimi del riparo del DNA
a Una copia di un antioncogene è sufficiente per controllare la proliferazione
cellulare. Gli antioncogeni che presentano mutazioni che portano alla perdita della
loro funzione si comportano come caratteri recessivi.
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Il primo antioncogene è stato identificato in pazienti
affetti da retinoblastoma ereditario
a I bambini affetti da retinoblastoma ereditario ereditano una
singola copia difettosa del gene RB ed hanno una elevata
predisposizione ai tumori retinici (spesso bilaterali).
a Perchè si generi il tumore è necessario che anche l’altro allele
venga inattivato. L’allele mutante RB si comporta, a livello
cellulare, come carattere recessivo.
a La predisposizione ereditaria al tumore della mammella è
stata associata a BRCA1, un altro antioncogene.
a Dopo i 50 anni, la probabilità di insorgenza del cancro della
mammella è del 60% nelle donne che ereditano un allele
BRCA1 mutante, solo del 2% nelle donne normali.
a Perchè si generi il tumore sono necessarie sia la perdita del
secondo allele BRCA1 che un’altra mutazione oncogenica.
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Ruolo delle mutazioni somatiche spontanee del gene Rb nel
retinoblastoma, una malattia dell’infanzia caratterizzata da tumori
della retina.
(raro, ad insorgenza tardiva e spesso ad un solo occhio)
La proteina Rb fu identificata come il prodotto del gene RB, il prototipo degli
oncosoppressori.
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Il retinoblastoma ereditario viene ereditato come
carattere autosomico dominante
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La perdita dell’eterozigosi (LOH) degli antioncogeni avviene
per segregazione errata dei cromosomi (non disgiunzione)
o per ricombinazione mitotica
+ eterozigote
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La segregazione errata è causata dal
fallimento del checkpoint della mitosi
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Le mutazioni oncogeniche che influenzano la
moltiplicazione cellulare.
a Mutazioni oncogeniche dei geni che influenzano la moltiplicazione
cellulare:
espressione inappropriata dei geni per i fattori di crescita;
espressione di attivatori dei recettori per i fattori di crescita codificati
da genomi virali;
mutazioni attivanti o un anomalo aumento dell’espressione dei
recettori per i fattori di crescita;
produzione di proteine costitutivamente attive che intervengono nella
trasduzione del segnale;
perdita di fosfatasi;
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W. H.fattori
Freeman anddi
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espressione inappropriata
dei
trascrizione nucleare.
Espressione inappropriata dei geni per
i fattori di crescita
a Gli oncogeni raramente derivano da geni che codificano i fattori di
crescita;
a E’ stato scoperto un solo oncogene - sis - che si è formato
spontaneamente a partire da un gene per un fattore di crescita.
a L’oncogene sis, che codifica un tipo di PDGF, può autostimolare in modo
anomalo la divisione di cellule che normalmente esprimono recettori per il
PDGF mediante induzione autocrina.
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Gli attivatori dei recettori per i fattori di crescita
codificati dai genomi virali, agiscono come
oncoproteine
Attivazione del recettore
dell’eritropoietina
a Il legame del ligando naturale
(EPO) provoca la dimerizzazione
del recettore ed induce la
formazione degli eritrociti a
partire dai precursori eritroidi.
a I precursori infettati dal virus
formanti foci splenici esprimono
sia la proteina virale gp55, sia il
recettore per l’EPO.
a La gp55 attiva il recettore
dell’EPO,
causando
una
stimolazione non appropriata dei
precursori e, alla fine, dopo la
comparsa di altre mutazioni,
l’eritroleucemia.
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Le mutazioni attivanti i recettori per i fattori di crescita
possono provocare la trasformazione cellulare
Sintesi di recettori RTK costitutivamente attivi
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Oncoproteina chimerica risultante da una
traslocazione cromosomica
a L’oncogene umano trk è il risultato di una traslocazione cromosomica che
porta alla sostituzione del dominio extracellulare del recettore tirosina
chinasi Trk con gli amminoacidi ammino-terminali della tropomiosina che
tendono a formare un’elica superavvolta.
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Citosolica e
costitutivamente attiva
Un anomalo aumento dell’espressione dei recettori per i
fattori di crescita può provocare la trasformazione
cellulare
a Le mutazioni che portano ad un anomalo aumento dell’espressione di una
proteina recettrice normale possono essere oncogeniche.
a Es.:
Cellule di molti tumori umani alla mammella esprimono quantità elevate del
recettore Her2 e vengono pertanto stimolate a moltiplicarsi anche in
presenza di concentrazioni molto basse di EGF e degli ormoni correlati.
a Un anticorpo monoclonale specifico per Her2 è in fase di sperimentazione
come trattamento delle forme di cancro alla mammella che overesprimono
Her2.
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Molti oncogeni codificano proteine costitutivamente
attive coinvolte nella trasduzione del segnale
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Mutazioni in geni che codificano componenti della via
RTKÆ Ras Æ MAP
a Mutazione dominante con incremento della funzione del gene ras. Es.:
mutazione della glicina 12 con un altro amminoacido che riduce l’attività
GTPasica.
a Mutazione recessiva con perdita della funzione del gene NF1 (un
antioncogene), che codifica un enzima che attiva la GTPasi (GAP). I
pazienti affetti da neurofibromatosi ereditano un allele NF1 mutante. Una
successiva mutazione somatica dell’altro allele porta alla formazione di
tumori benigni delle cellule che formano la guaina che circonda i nervi.
a Il genoma di alcuni retrovirus murini trasformanti codifica una proteina
Raf con attività serina/treonina chinasica costitutivamente attiva
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Mutazioni in geni che codificano proteine tirosina
chinasi che non possiedono funzioni recettoriali:
l’oncogene bcr-abl
a
Nei pazienti affetti da leucemia mieloide cronica, le
cellule leucemiche contengono il cromosoma
Philadelphia ed un cromosoma 9 anormale.
a
Questa traslocazione tra i cromosomi 9 e 22
provoca la fusione di un frammento del gene bcr (a
funzione ignota, ma il cui segmento N-terminale
forma un dominio ad elica superavvolta) con parte
del gene c-abl, che codifica una tirosina chinasi.
a
I polipeptidi chimerici bcr-abl formano un tetramero
che esibisce in modo costitutivo l’attività chinasi di
Abl.
a
La proteina Abl non è più localizzata nel nucleo ma
nel citoplasma dove si lega ed attiva molte proteine
intracellulari per la trasduzione del segnale.
a
La comparsa in una delle cellule che portano la
traslocazione di una seconda mutazione porta alla
leucemia acuta.
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Regolazione dell’attività della Src e sua attivazione
mediante mutazione oncogenica
virus del sarcoma di Rous
a L’attività chinasica della proteina Src normale (c-Src) viene inattivata dalla
fosforilazione della tirosina 527, mentre l’idrolisi del fosfato da parte di una fosfatasi la
attiva.
a La tirosina 527 è spesso assente o modificata nelle oncoproteine Src costitutivamente
attive.
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La perdita della fosfatasi PTEN è un evento frequente nei
tumori umani
a Dal momento che molti proto-oncogeni codificano proteine chinasi, da molto
tempo si ipotizza che le proteine fosfatasi possano agire come soppressori
dei tumori.
a Recentemente è stato dimostrato che la fosfatasi PTEN funziona da
soppressore dei tumori e viene persa nelle fasi avanzate di molti tipi di
tumori.
a La fosfatasi PTEN è insolitamente poco specifica e può rimuovere i gruppi
fosfato legati a residui di serina, treonina e tirosina.
a Si suppone che la sua capacità di defosforilarte il fosfatidil inositolo 3,4,5trifosfato, prodotto dalla PI-3 chinasi, sia responsabile dei suoi effetti di
soppressore dei tumori.
a Le cellule prive di PTEN hanno elevati livelli di fosfatidil inositolo 3,4,5CopyrightB
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W. H. Freeman
andagisce
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trifosfato e di proteina chinasi
attiva
che
prevenendo l’apoptosi.
L’attivazione della protein chinasi B (Akt)
previene l’apoptosi
Protein chinasi B
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Gli oncogeni possono codificare fattori di trascrizione
a Molti oncogeni codificano fattori di trascrizione (es.: Fos, Jun, Myc).
a I proto-oncogeni c-jun e c-fos codificano proteine che si possono associare
per formare un fattore trascrizionale eterodimerico, chiamato AP1, che si
lega ad una sequenza presente in molti promotori ed enhancer.
a Fos e Jun possono agire anche indipendentemente come fattori
trascrizionali.
a c-Fos e c-Myc stimolano la trascrizione di geni che codificano proteine che
promuovono la progressione attraverso la fase G1 ed il passaggio dalla
fase G1 a quella S.
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Attività dei prodotti dei geni c-fos e c-myc in seguito alla
stimolazione con siero di cellule 3T3 quiescenti.
a Per garantire la rapida caduta
dei livelli di c-Fos e c-Myc
dopo l’induzione della loro
sintesi nelle cellule normali,
entrambe le proteine ed i
corrispondenti mRNA sono
instabili.
a Un’espressione
prolungata
può essere oncogenica.
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L’espressione inappropriata dei fattori di
trascrizione nucleare può indurre la trasformazione
cellulare
a Nelle cellule tumorali, le forme oncogeniche di c-Fos, c-Myc o di altri fattori
trascrizionali sono spesso espresse a livelli elevati e svincolati da qualsiasi
forma di regolazione.
a Alcune mutazioni che trasformano c-fos in un oncogene consistono in una
perdita delle sequenze del gene che rendono l’mRNA poco stabile.
a Nel linfoma di Burkitt, il gene c-myc ha subito una traslocazione che lo ha
collocato in un sito prossimo ai geni per le catene pesante degli anticorpi,
sotto la regolazione dell’enhancer dei geni per gli anticorpi.
a Le duplicazioni localizzate di segmenti di DNA contenenti il gene c-myc sono
frequenti nei tumori umani e provocano un’espressione elevata di una
proteina Myc altrimenti normale.
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Le mutazioni che causano la perdita del
controllo del ciclo cellulare
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Il passaggio dalla fase G1 alla fase S è
controllato da proto-oncogeni e antioncogeni
a L’espressione delle cicline di tipo D (D1, D2 e D3) viene indotta dai fattori
di crescita e favorisce l’uscita dalla fase Go o la progressione attraverso la
fase G1.
a Le cicline D si assemblano con le chinasi ciclina-dipendenti Cdk4 e Cdk6
per formare complessi cataliticamente attivi.
a In assenza dei mitogeni la p27 e la p16 si legano alle proteine chinasi
ciclina D-dipendenti, inibendone l’attività catalitica.
a La proteina Rb, nella sua forma defosforilata, si lega a vari fattori di
trascrizione, nel loro insieme chiamati E2F, impedendo che possano
attivare la trascrizione di molti geni i cui prodotti sono necessari per la
sintesi del DNA (es.: DNA polimerasi).
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Controllo del punto di restrizione
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I fattori di trascrizione E2F
a La trascrizione dei geni che codificano molte delle proteine implicate nella
sintesi del DNA e dei deossiribonucleotidi viene indotto mentre le cellule
procedono attraverso la transizione G1ÆS.
a La famiglia dei fattori trascrizionali E2F è necessaria per la trascrizione di
molti di questi geni e di quelli che codificano la Cdk2 e le cicline A ed E.
a I fattori E2F, autostimolano la trascrizione dei geni da cui sono codificati.
a La capacità dei fattori E2F di attivare la trascizione viene inibita se essi
sono legate alla proteina Rb e a due proteine ad essa affini, la p170 e la
p130.
a Il legame con la Rb converte i fattori E2F da attivatori in repressori della
trascrizione.
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Il legame con la Rb converte i fattori E2F da attivatori in repressori, dato che la
proteina Rb interagisce con i complessi delle istone deacetilasi.
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La fosforilazione della Rb viene avviata dal complesso
Cdk4-ciclina D attivo e viene completata da altre chinasi
ciclina-dipendenti.
La fosforilazione della proteina Rb a metà della fase G1 provoca la sua
dissociazione da E2F, permettendo a quest’ultimo di indurre l’espressione dei
geni che codificano per gli enzimi
necessari per la duplicazione del DNA.
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Il passaggio attraverso il punto di restrizione dipende
dall’attivazione dei fattori di trascrizione E2F
a L’attivazione del complesso Cdk2-ciclina E rende indipendente l’attivazione
di E2F e quindi il passaggio attraverso il ciclo cellulare dall’attività dei
complessi Cdk4/6-ciclina D.
La progressione ha luogo anche se i mitogeni vengono rimossi ed il livello
di ciclina D diminuisce.
Il punto di restrizione è stato superato!
a La proteina Rb viene mantenuta fosforilata durante le fasi S, G2, e M dai
complessi Cdk2- e Cdk1- ciclina.
a La diminuzione del livello dei complessi Cdk-ciclina al termine della mitosi
porta alla defosforilazione di Rb da parte delle fosfatasi, la cui attività non è
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più contrastata, ed all’inibizione
degli E2F.
Controllo del punto di restrizione
a Molte
cellule
tumorali
presentano
mutazioni
oncogeniche di uno dei
geni
che
codificano
proteine che intervengono
in
questa
via
di
regolazione
del
ciclo
cellulare.
a Queste
mutazioni
spingono le cellule a
procedere verso la fase S
in assenza degli opportuni
segnali extracellulari.
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Mutazioni oncogeniche dei geni
coinvolti nel controllo del punto
di restrizione
Aumento del livello di espressione della ciclina D
` L’amplificazione genica od una traslocazione che pone la ciclina D1 sotto il
controllo di una sequenza regolatrice non appropriata (es.: enhancer dei geni per
gli anticorpi) porta ad un aumento del livello di espressione di questa ciclina nelle
cellule di molti tipi di cancro umano.
Perdita della funzione della proteina p16.
` Le mutazioni, in particolar modo le delezioni, del gene p16, che inattivano la
capacità della proteina p16 di inibire l’attività delle chinasi ciclina D-dipendenti
sono molto frequenti nelle cellule di diversi tumori umani.
Perdita della funzione della proteina Rb.
` La perdita della funzione della proteina Rb, porta all’induzione di molti tipi di
cancro, in modo particolare del retinoblastoma nei bambini.
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La perdita della trasmissione del segnale attivata dal
TGFβ contribuisce ad indurre una proliferazione
cellulare anormale.
a Il fattore di crescita β derivato dai tumori (tumor derived growth factor β,
TGFβ) inibisce la crescita di molti tipi di cellule, compresa la maggior
parte delle cellule epiteliali e del sistema immunitario.
a Il TGFβ induce l’espressione del gene che codifica la proteina p15.
Questo inibitore della ciclina chinasi prende il posto della p27 nel
complesso che questa forma con la Cdk4 e la ciclina D, liberando la p27
per il legame al complesso Cdk2-ciclina E, che così viene inibito. Il
complesso Cdk2-ciclina E è necessario per entrare nella fase S e così il
TGFβ blocca la cellula in G1.
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Il complesso Cdk2-ciclina E è necessario affinchè la
cellula possa entrare nella fase S.
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La perdita della trasmissione del segnale attivata dal
TGFβ contribuisce ad indurre la malignità
a Il TGFβ induce l’espressione di geni che codificano proteine della
matrice extracellulare, come il collagene e l’inibitore di tipo 1
dell’attivatore del plasminogeno (PAI-1).
a L’assenza dei TGFβ o di altri componenti della via di trasduzione del
segnale può ridurre la sintesi di queste proteine e contribuire
all’insorgenza delle metastasi (- matrice, + degradazione della matrice)
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Trasmissione del segnale attivata dal TGFβ
(o Smad2)
a Le cellule di molti tumori
presentano mutazioni inattivanti
dei geni che codificano i recettori
per il TGFβ o le proteine Smad.
a Queste cellule sono insensibili al
controllo inibitorio della crescita
mediata dal TGFβ e più facilmente
possono formare metastasi.
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Mutazioni che influenzano la stabilità del
genoma
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L’arresto in G1 e in G2 delle cellule con DNA danneggiato
dipende dall’oncosoppressore p53
a La proteina p53 è essenziale per il corretto funzionamento del sistema di controllo
che blocca nella fase G1 le cellule umane in cui il DNA è danneggiato.
a La proteina p53 contribuisce all’arresto in G2 delle cellule umane con DNA
danneggiato.
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Le cellule che possiedono la proteina p53 funzionale vengono
bloccate nella fase G1 quando sono esposte a radiazioni γ, mentre
ciò non avviene nelle cellule prive della p53 funzionale
Il blocco in G2 funziona ancora nelle cellule p53Copyright (c) by W. H. Freeman and Company
Il meccanismo del blocco del ciclo cellulare
indotto dalla p53 in risposta a danni al DNA
Tutti i complessi
Cdk1-, Cdk2-, Cdk4- e Cdk6- ciclina
a La p53 è un fattore trascrizionale altamente instabile, stabilizzato dal DNA
danneggiato. I danni prodotti sul DNA portano all’attivazione di alcune chinasi,
compresa l’ATM, ed una proteina chinasi DNA-dipendente.
a La fosforilazione della p53 da parte di queste chinasi rende la proteina più stabile e
provoca quindi un aumento della sua concentrazione
a La risposta della p53 ad un danno
estensivo
alandDNA
porta all’induzione dell’apoptosi
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Company
Mutazioni della p53 aboliscono il controllo del checkpoint
della fase G1
a L’oncosoppressore mutato più frequentemente nei tumori maligni
dell’uomo (> 50% dei tumori dell’uomo) è il p53.
a Le cellule che possiedono mutazioni nel gene p53 non ritardano
l’ingresso in fase S in seguito a piccoli danni al DNA nè vanno incontro
ad apoptosi in seguito a danni più estesi.
a Il DNA danneggiato di queste cellule può replicarsi producendo
mutazioni e riarrangiamenti che contribuiscono allo sviluppo di una
cellula altamente trasformata e metastatica.
a La radioterapia funziona perchè causa un danno al DNA delle cellule
bersaglio che le induce a entrare in apoptosi.
a Le cellule cancerose in cui si sono verificate mutazioni in entrambi gli
alleli p53, sono particolarmente resistenti alla radioterapia perchè non
tendono ad attivare il processo apoptotico.
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Mutazioni della p53 possono comportarsi come dominanti
negative.
a La forma attiva della p53 è un tetramero di 4 subunità identiche.
a In una cellula una mutazione puntiforme senza senso di uno dei due
alleli p53 può abolire quasi completamente l’attività della p53, in quanto
tutti gli oligomeri conterranno almeno una subunità difettosa e non
potranno agire come fattori di trascrizione.
a Le mutazioni oncogeniche del p53 si possono comportare come
“dominanti negative”, a differenza di quelle degli altri anti-oncogeni
come RB che sono attivi nella forma monomerica.
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La proteina p53 di uomo
a Le fosforilazioni stabilizza la p53.
a La proteina MDM2 si lega a p53, inibendo la sua capacità di attivare la trascrizione, e
mediando la degradazione della p53 stessa. La fosforilazione di p53 da parte della ATM
porta al rilascio della MDM2 legata ed alla stabilizzazione della p53.
a Il gene che codifica per la MDM2 viene amplificato nelle cellule di molti sarcomi.
Proteine codificate da virus tumorali a DNA possono inibire l’attività della p53
a L’attività della p53 viene inibita dal legame di proteine virali, come la E6 del
papillomavirus umano, la E1b dell’adenovirus.
a Domini diversi dell’antigene TCopyright
grande
diH.SV40
legano
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Freeman and
Company sia p53 che Rb, inibendo la loro
funzione
Alcuni agenti cancerogeni per le cellule umane causano
mutazioni inattivanti del gene p53
a Il fumo di sigaretta è la causa
principale
del
cancro
ai
polmoni.
a Il 60% dei tumori umani ai
polmoni contengono mutazioni
inattivanti del gene p53.
a L’agente
chimico
benzo(α)pirene, presente nel
fumo di sigaretta, subisce
un’attivazione metabolica nel
fegato che lo trasforma in un
potente mutageno che causa
mutazioni di trasversione GÆT.
a Il benzo(α)pirene induce in
cellule in coltura mutazioni
a Le posizioni 175, 248, 273 del gene p53 sono
inattivanti a livello dei codoni
anche mutate nei tumori umani al polmone
175, 248, 273 del gene p53.
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Alcuni agenti cancerogeni per le cellule umane causano
mutazioni inattivanti del gene p53
a L’aflatossina, un metabolita
fungino
presente
come
sostanza
contaminante
nei
cereali ammuffiti, induce il
cancro al fegato.
a L’aflatossina
induce
una
mutazione di trasversione a
livello del codone 249 del gene
p53,
portando
alla
sua
inattivazione.
Tutte le mutazioni della p53 aboliscono la sua capacità di legarsi a specifiche
sequenze di DNA e di attivare la trascrizione
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I difetti dei sistemi di riparazione del DNA permettono
l’accumolo delle mutazioni e sono associati ad alcuni
tumori
a Mutazioni dei geni umani responsabili
del
meccanismo
di
escissione
riparativa, che ripara il danno prodotto
dalle radiazioni UV, aumentano la
probabilità di sviluppare alcuni tumori
(es. Xeroderma pigmentoso).
a Le mutazioni di almeno 7 geni diversi
possono portare alle lesioni tipiche
dello xeroderma pigmentoso (frequenti
tumori
della
pelle
in
seguito
all’esposizione alle radiazioni UV
provenienti dal sole).
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I difetti dei sistemi di riparazione del DNA permettono
l’accumolo delle mutazioni e sono associati ad alcuni
tumori
a Mutazioni dei geni che codificano proteine
omologhe a quelle del sistema MutHLS di E.
coli, che contribuiscono alla riparazioni degli
errori di appaiamento delle basi, aumentano la
probabilità di sviluppare alcuni tumori
(es.: cancro colon-rettale ereditario con
assenza di poliposi).
a I pazienti affetti da cancro colon-rettale
ereditario con assenza di poliposi ereditano
una mutazione di un allele del gene che
codifica la MutSα, la MutSβ o la MutL
a L’insorgenza di una seconda mutazione che
inattiva
anche
l’allele
normale
porta
all’insorgenza del tumore.
a I geni che codificano la MutSα, la MutSβ e la
MutL sono antioncogeni.
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Difetti dei processi cellulari di riparazione del DNA, identificati in
alcune malattie dell’uomo, sono associati ad una maggiore
predisposizione per certi tumori maligni.
Nelle cellule con difetti dei processi cellulari di riparazione del DNA, possono facilmente
accumularsi mutazioni in molti
geni,
compresi
Copyrightaltri
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H. Freeman
and Company oncogeni ed antioncogeni.
Le anomalie cromosomiche sono comuni nelle
cellule dei tumori umani
a Le anomalie cromosomiche sono
molto frequenti nelle cellule tumorali.
a Le cellule umane possiedono 23 coppie
di cromosomi; le cellule tumorali
generalmente
sono
aneuploidi
(possiedono un numero anormale di
cromosomi, generalmente maggiore) e
spesso contengono traslocazioni.
a Le cellule con un numero anomalo di
cromosomi si formano quando non
sono funzionali i sistemi di controllo
della fase S, che impedisce che una
cellula vada in mitosi se il DNA non è
stato completamente replicato, o della
mitosi, che arresta le cellule in anafase
se tutti i cromosomi non sono allineati
in modo da segregare correttamente.
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Traslocazione cromosomica nel linfoma di
Burkitt
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Cellule tumorali possono contenere la duplicazione localizzata di
una specifica sequenza di DNA contenente un oncogene
(si possono produrre sino a 100 copie di una specifica sequenza)
Il DNA duplicato può essere organizzato in tandem a
livello di un singolo sito sul cromosoma
(Regioni che si colorano in modo omogeneo, HSR)
Il DNA duplicato può esistere come piccola struttura
a sé stante, simile ad un cromosoma
(“doppi minuscoli”, double minutes)
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La metilazione del DNA può inattivare gli antioncogeni.
a L’antioncogene p16 risulta inattivato in molte forme di cancro dell’uomo.
a Spesso il gene è deleto ma in alcuni casi l’intera sequenza del gene è
normale.
a In questi casi il promotore del gene p16 viene inattivato a causa di una
ipermetilazione in molti tumori umani
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L’espressione della telomerasi può contribuire alla
immortalizzazione delle cellule tumorali
a I telomeri, le estremità fisiche dei cromosomi lineari, sono formati da successioni in
tandem di copie multiple di una breve sequenza di DNA, nei vertebrati TTAGGG.
a I telomeri rappresentano la soluzione al problema dell’incapacità della DNA
polimerasi di replicare completamente l’estremità di una molecola di DNA lineare a
filamento doppio.
a Nella linea germinale e nelle cellule somatiche che si dividono rapidamente (es.
cellule staminali), la telomerasi, una trascrittasi inversa a cui è associato uno stampo
di RNA, aggiunge ripetizioni TTAGGG alle estremità dei cromosomi.
a Poichè la maggior parte delle cellule somatiche umane sono prive della telomerasi, i
telomeri si accorciano durante ogni ciclo cellulare. La perdita dei telomeri porta alla
fusione dei cromosomi ed alla morte cellulare.
a La maggior parte delle cellule tumorali superano questo ostacolo esprimendo la
telomerasi.
a Alcuni inibitori della telomerasi potrebbero essere utilizzati come agenti terapeutici
contro il cancro.
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