Proto-ocogeni

Un oncogene è un gene che produce una trasformazione tumorale. Ma l’oncogene deriva da un proto-oncogene, che è un gene cellulare che, quando non è alterato, è un gene importante coinvolto nei meccanismi di proliferazione, di differenziamento o di apoptosi, che però, per mutazione può dare origine ad un oncogene (gene che origina il cancro).
Quindi gli oncogeni derivano dai proto-oncogeni per mutazione. Nel DNA abbiamo anche geni come P53 o RB che ci proteggono dal cancro, e da una moltiplicazione incontrollata. Questi geni o inibiscono la proliferazione, o favoriscono l’apoptosi, o favoriscono il differenziamento, e geni come p53 che proteggono il DNA dalle mutazioni. Questi geni sono molto preziosi e si chiamano anti-oncogeni o geni onco-soppressori.

Questi geni vengono bersagliati dalle mutazioni e a volte possono venire inattivati. E’ chiaro che un gene che protegge la cellula dal cancro, se viene inattivato, può esporre la cellula al cancro.

Quindi l’anti-oncogene inattivato non può più proteggere la cellula dalla trasformazione. In conclusione il cancro si può sviluppare in seguito all’espressione degli oncogeni, cioè alla creazione degli oncogeni per alterazione di geni che fisiologicamente hanno funzioni importanti, quindi un aumento di funzione di particolari geni che normalmente sono regolati, oppure per una perdita di funzione dei geni che normalmente ci proteggono dal cancro, che sono quelli ad attività anti – proliferativa, pro – differenziativa, pro – apoptotica o con attività di riparo del DNA. Riassumendo tutti i tumori umani sono associati a mutazioni che inattivano proteine (loss-of-function) che agiscono a livello di importanti punti di controllo del ciclo cellulare, come ad esempio la P53, si parla di inattivazione dei tumor soppressor genes, oppure attivano proteine (gain of function) che agiscono positivamente sul controllo della proliferazione cellulare. Entrambi i casi danno come risultato un aumento della proliferazione cellulare e quindi una predisposizione al tumore. Quindi i proto-oncogeni vengono trasformati in oncogeni in seguito a mutazioni geniche che abbiamo già studiato in precedenza.

Per quanto riguarda i processi di oncogenesi virale, ci sono dei virus a RNA che possono indurre tumori e si dividono in retrovirus oncogeni acutamente trasformanti, che inducono tumori in un tempo molto breve, poiché trasportano, integrato nel loro genoma, un oncogene che esprimono nella cellula infettata (ad esempio RAS, che è un gene umano). L’oncogene virale deriva a sua volta da un proto-oncogene cellulare che il virus ha prelevato dal genoma di una cellula infettata in precedenza e che poi è stato attivato perché sotto il controllo degli elementi promotori del virus. Quindi è diventanto un oncogene. Il virus porta l’oncogene direttamente, che si esprime subito e il tumore si sviluppa molto velocemente, si dice perciò che il processo è altamente trasformante.

Il tumore può anche essere attivato da retrovirus oncogeni lentamente trasformanti, che inducono i tumori in un tempo lungo, poiché esercitano la loro azione trasformante mediante l’attivazione di proto-oncogeni cellulari, inserendosi nel DNA della cellula infettata a livello di promotori importanti (con mutogenesi inserzionale) e svincolandone l’espressione dai meccanismi regolativi cellulari (ad esempio MYC). Ci sono anche virus a DNA, che codificano proprio per proteine trasformanti, e non contengono quindi oncogeni derivanti dalla cellula. Ad esempio, nell’uomo il virus dell’epatite B predispone al tumore del fegato, alcuni papillomi, come il papilloma genitale, predispone al tumore della cervice uterina.

Le alterazioni del DNA presenti nelle cellule tumorali sono sempre multiple, non singole, e sono successive. Da uno studioso che studiava il cancro al colon è stato identificato il MODELLO DEL MULTIHIND o “multi step” della carcinogenesi: secondo questo modello la carcinogenesi è un processo che richiede molti step, queste fasi sono costituite da acquisizioni consecutive di alterazioni geniche. Un esempio molto calzante è come si forma il cancro del colon, inizialmente dovuto ad una delezione di APC: le cellule epiteliali dell’intestino subiscono una delezione di un tumor soppressor gene, che si chiama APC. A questo punto si ha la formazione di un polipo, che è un tumore benigno. Segue la mutazione di RAS, che viene attivato in modo costitutivo e quindi attiva la cellula a proliferare sempre più velocemente, si ha la formazione di un adenoma di classe II, cioè un polipo che va verso la malignità. Segue la delezione di DCC, un altro tumor soppressor gene, si ha così la formazione di un adenoma di classe III, quindi si va sempre più verso la malignità. Infine la delezione di P53 porta alla formazione di un carcinoma. Quindi una cellula che subisce successivamente tutte queste alterazioni geniche, alla fine dà origine ad un carcinoma, che è un tumore maligno delle cellule epiteliali. Il carcinoma poi può evolvere in carcinoma metastasico, capace di produrre metastasi. Il carcinoma metastasico si forma come conseguenza di una successiva alterazione genica. Quindi la trasformazione tumorale è il frutto di traformazioni geniche successive che producono poi gli effetti fenotipici dello specifico tumore.

I proto-oncogeni sono dei geni che sono alterati e che hanno importanti funzioni nella cellula. Essi sono classificati in sette classi, alcune delle quali parzialmente si sovrappongono, e comunque sono classificati in questo modo: alla I° classe appartengono i fattori di crescita, alla II° classe appartengono i recettori per fattori di crescita, alla III° classe appartengono i trasduttori intracellulari del segnale, alla IV° classe appartengono i fattori trascrizionali, alla V° classe appartengono i geni antiapoptotici, alla VI° classe appartengono geni che controllano la proliferazione cellulare, mentre alla VII° classe appartengono i geni del DNA Repair.

Per quanto riguarda la prima classe, ci sono fattori di crescita che, alterati, stimolano in modo inappropriato la cellula, legandosi a recettori che non sono fisiologicamente i loro recettori.

Parliamo della seconda classe: questo dal punto di vista medico è molto importante, viste le terapie che si sono sviluppate negli ultimi anni, che sono in gran parte mirate a bersagliare questi recettori per fattori di crescita alterati con degli anticorpi specifici che vanno a inattivarli. Tra i recettori alterati, che sono tanti, il più famoso nei carcinomi è il recettore per il fattore di crescita per le cellule epiteliali, cioè l’ EGF – R. Questo recettore può avere molte mutazioni; ad esempio può avere una mutazione genica che produce una proteina deleta nelle porzioni extracellulari.


Questa mutazione però conferisce a questo recettore un’attività intrinseca, cioè viene stimolato anche in assenza del ligando, in assenza dell’ EGF e stimola un segnale proliferativo (è un recettore tirosin – chinasico). Un’ altra forma mutata del recettore dell’ EGF è il cosiddetto HER2 o NEU, che è un gene coinvolto nel carcinoma mammario, dove spesso è amplificato e si associa con prognosi cattiva. Quindi in questo caso non abbiamo un’alterazione strutturale del recettore, ma abbiamo un’amplificazione genica del recettore EGF – R che causa un’iperespressione di questo recettore e un’iperproliferazione delle cellule epiteliali della mammella.

Per quanto riguarda la terza classe, parliamo di RAS, che è un bersaglio molto utilizzato nei tumori, cioè lo troviamo mutato in tumori polmonari, colon – rettali, in pancreas e prostata. RAS, come abbiamo già detto, è quella proteina G monometrica che viene attivata da SOS e che comincia la cascata delle MAP chinasi, e quindi l’attivazione genica della via di trasduzione dei recettori tirosin-chinasici, che porta quindi all’aumento della proliferazione cellulare. Quando RAS è mutato (si tratta per lo più di mutazioni puntiformi), perde l’attività GTPasica e quindi è sempre legato al GTP, quindi la proteina è sempre attiva. Quindi traduce continuamente un segnale mitogenico, anche in assenza del ligando (anche se non c’è SOS che lo attiva), RAS sempre attivato diventa dunque un oncogene. Per quanto riguarda alcune traslocazioni che possono dare leucemia, molto famosa è la t(9;22) nella LEUCEMIA MIELOIDE CRONICA. La leucemia mieloide cronica è una leucemia che coinvolge la serie mieloide, quindi prevede un’espansione abnorme della serie mieloide, dei granulociti specialmente e monomacrofagi. L’alterazione genica che si trova sempre in questo tipo di leucemia è una traslocazione tra il cromosoma 9 e il cromosoma 22. Qui stiamo parlando sempre di trasduttori del segnale.

Uno di questi trasduttori del segnale è una tirosin-cinasi citoplasmatica che si chiama Abl, che normalmente interviene nelle vie mitogeniche come proteina citoplasmatica. Nella t(9;22) si forma una proteina di fusione per la fusione di Abl con un altro gene che è presente sul cromosoma 22. Questo avviene perchè si rompono i due cromosomi 9 e 22, i sistemi di riparo sbagliano e saldano le due giunzioni sul cromosoma sbagliato e si viene a formare un gene di fusione (è una traslocazione reciproca) che si chiama Bcr/Abl che produce un RNA di fusione che produce una proteina di fusione. Questa proteina di fusione è un oncogene molto attivo, perché simultaneamente attiva costitutivamente le pathways mitogeniche, la pathways dei recettori tirosin-cinasici (RAS, RAF, MEK, ERK) e la pathway di JAK/STAT, cioè la pathway dei recettori associati a tirosin-cinasi. Contemporaneamente inibisce l’apoptosi, inattivando le proteine proapoptotiche. Un esempio interessante sulla terapia innovativa sulla leucemia mieloide cronica è la cosiddetta TARGET THERAPY, cioè una terapia molecolare specifica per questo tipo di malattia, che si applica mediante un inibitore specifico dell’attività cinasica di questa proteina di fusione Bcr/Abl. E’ stata disegnata una molecola (si chiamava “Gleveec”, ora la chiamiamo “Imachilib”) ed è stato il primo approccio molecolare per inibire selettivamente questa proteina di fusione.

Questo perché il Gleveec si va ad associare in modo specifico e irreversibile al sito di legame dell’ATP di Bcr/Abl, cosicché l’ATP non si può più legare a Bcr/Abl. Se a una cinasi non si dà più la possibilità di associare l’ATP, non potrà più avere attività fosforilante. Questo tipo di cura viene utilizzata già da una decina d’anni nella leucemia mieloide cronica, ovviamente però può essere utilizzata solo per questo tipo di leucemia, che presenta questo tipo di proteina di fusione, per questo tipo di alterazione genica. Questo è importante perché si sta sempre più andando verso la medicina molecolare, cioè si cerca di bersagliare delle proteine in modo specifico senza danneggiare altre proteine della cellula, per questo è fondamentale conoscere l’alterazione molecolare della malattia e riuscire a costruire un inibitore specifico di quella proteina.

Gli oncogeni della quarta classe sono i fattori trascrizionali, che normalmente hanno un’emivita molto breve, cioè dopo l’induzione da parte di fattori come fos e myc che regolano positivamente la proliferazione cellulare, essi vengono degradati e non hanno più azione promitogenica. Le corrispondenti proteine oncogeniche, quando myc e fos sono mutati o traslocati, sono più stabili, il che porta ad una proliferazione incontrollata. Rendendo più efficienti con delle mutazioni dei geni che regolano positivamente la proliferazione cellulare, si avrà come risultato una proliferazione cellulare incontrollata. Un esempio è quello della t(8;14), il LINFOMA DI BURKITT, dove si verifica un’iperespressione di myc. Myc è localizzato normalmente sul cromosoma 8, viene traslocato sul cromosoma 14 e questo provoca un’overespressione di myc, poiché viene a trovarsi sotto il controllo non più del proprio promotore, che è regolato dai fattori di crescita, ma del promotore che regola la trascrizione delle catene pesanti delle immunoglobuline, che non è affatto regolato dai fattori di crescita, ma è un promotore sempre molto attivo. Il che fa esprimere myc ad un livello sempre molto elevato, cosa che fa dividere la cellula in modo incontrollato. Questo è quello che avviene in questi linfociti che poi formano un tumore delle ghiandole linfoidi, che si chiama linfoma.

Trattiamo ora le mutazioni oncogeniche che influenzano l’apoptosi, cioè quelle mutazioni che riguardano i geni che regolano l’apoptosi, e che possono portare alla trasformazione tumorale. Un esempio è la mutazione del gene Bcl-2, che è il capostipite di una famiglia di geni regolatori dell’apoptosi, i cui membri codificano per proteine che, omolateralmente o eterolateralmente dimerizzando tra loro, agiscono da promotori (è il caso degli omodimeri Bax/Bax) o da soppressori (eterodimeri Bax/Bcl-2) della morte cellulare programmata. Quindi ovviamente alte concentrazioni di Bax favoriscono la formazione degli omodimeri Bax/Bax che espongono la cellula all’apoptosi, viceversa l’alta concentrazione di Bcl-2 favorisce la formazione degli eterodimeri Bax/Bcl-2 che proteggono la cellula dall’apoptosi.

Si è inoltre osservato che una iperespressione causata da una mutazione di un qualsiasi gene che protegge la cellula dall’apoptosi (Bcl-2), la può predisporre al tumore, e questo è dovuto al fatto che una mutazione simile sottrae la cellula da quei meccanismi fisiologici (e quindi essenziali per la vita della cellula stessa) di attivazione della morte cellulare apoptotica. Quindi un gene anti-apoptotico over-espresso può predisporre la cellula alla trasformazione tumorale. Un esempio di tumore dovuto alla deregolazione del Bcl-2 è un tipo di tumore del sistema emopoietico e quindi un linfoma. In particolare tale mutazione tumorale è dovuta ad una traslocazione reciproca del gene Bcl-2, difatti il gene Bcl-2 viene traslocato dal cromosoma 18 al cromosoma 14, si parla di t(14;18), dove viene a trovarsi sotto il controllo del promotore delle catene pesanti delle IG (immunoglobuline) con conseguente iperespressione del Bcl-2. Inoltre tale overespressione di Bcl-2 è accompagnata da un’altra alterazione genica come l’iperespressione di c-myc. Tutto questo provoca l’espansione maligna per la soppressione dell’apoptosi fisiologica (il gene Bcl-2 si trova traslocato ed iperespresso in molti linfomi).Quindi l’iperespressione di un gene antiapoptotico porta alla trasformazione tumorale.

Parliamo ora del RB che fa parte di quei geni che controllano negativamente la proliferazione cellulare. Nello specifico l’RB, che deve il suo nome al tessuto tumorale nel quale venne per la prima volta isolato (RETINOBLASTOMA), è una proteina di 110 kD che è espressa in tutte le cellule del nostro corpo e che contribuisce alla regolazione della proliferazione. Di conseguenza la reintroduzione in cellule tumorali di retinoblastoma, del gene RB funzionale, cioè nella versione non mutata e defosforilata, reprime la proliferazione in quanto inibisce, associandosi ad esse, numerose proteine importanti per la progressione della fase G1 e la transizione G1/S. in particolare abbiamo che l’RB lega il fattore trascrizionale E2F che impedisce la progressione in G1, difatti il sistema RB-E2F previene infatti la trascrizione e quindi la traduzione degli enzimi per la duplicazione del DNA.

Quando però entrano in gioco le attività della tarda G1 grazie a cicline e cdk, l’RB viene fosforilato (quindi inattivato), rilascia E2F e quindi la trascrizione e la traduzione dei geni per la sintesi del DNA viene effettuata. L’RB si ritrova invece mutato e inattivo in un particolare tumore, il retinoblastoma. In questo caso la perdita o la diminuzione di funzione del gene che inibisce la proliferazione cellulare porta ad un aumento della proliferazione cellulare. Di conseguenza la reintroduzione del gene non mutato in cellule tumorali di retinoblastoma causa l’arresto della loro crescita. L’inattivazione di un gene che contrasta l’espansione tumorale causa invece l’espansione tumorale. Nalla figura è mostrato come il retinoblastoma prolifera all’interno della retina di un bambino. Questi tumori sono molto maligni e i bambini in genere non raggiungono la maggiore età.

Per quanto riguarda i proto-oncogeni di VI classe, un gene oncosoppressore è il p53, che è mutato nel 60% dei tumori umani. Normalmente il p53 che viene stabilizzato dal danno al DNA, attiva trascrizionalmente il p21 e porta all’arresto in G1 o G2 per permettere alla cellula di riparare il danno prima della fase M. Se però il danno è troppo esteso p53 induce apoptosi bax-mediata. Si è inoltre osservato che esiste una relazione tra la mutazione del p53 e il cancro al polmone. Infatti se prendiamo in considerazione i casi di cancro al polmone dovuto al fumo di sigaretta, abbiamo che nel 60% dei casi di tumori polmonari troviamo una mutazione di p53 e quindi una sua inattivazione. Quindi ancora una volta l’inattivazione di un gene che protegge la cellula dall’instabilità genomica rende la cellula suscettibile alle mutazioni tumorali, e queste mutazioni sono le stesse ritrovate nelle cellule bronchiali in coltura trattate con benzopirene.

E’ stato infatti fatto l’esperimento di coltivare in vitro delle cellule bronchiali molto simili alle cellule epiteliali del polmone trattandole con il benzopirene, che è una delle sostanze più cancerogene in assoluto presente nel catrame delle sigarette, e che induce in queste cellule in coltura le stesse mutazioni che poi sono ritrovate sperimentalmente nei pazienti con cancro polmonare. Perciò questo significa ancora una volta che il fumo di sigaretta ha un effetto tumorigenico sulle cellule epiteliali bronchiali o polmonari attraverso l’inattivazione del p53. Invece per quanto riguarda le mutazioni somatiche abbiamo già detto che sono quelle mutazioni che insorgono nell’individuo adulto in un particolare tessuto e, se non insorgono nella linea germinale, predispongono le cellule al tumore in quel determinato tessuto, ma non possono essere trasmesse ai figli. Quando invece la mutazione colpisce la linea germinale (anche nel caso della p53), ovviamente i figli ereditano la mutazione che sarà presente in tutte le cellule del loro corpo, e questo perché lo zigote si forma appunto dall’unione dei due gameti, di cui uno dei due porta mutazione e pertanto il figlio sarà portatore della mutazione fin dal momento del suo concepimento. In particolare nel caso del p53 il discorso è particolarmente grave in quanto il p53 mutata e trasmessa alla prole predispone a cancri multipli in giovane età che andranno a colpire diversi organi (polmoni, ovaio, utero, cancro del colon). Questa è una sindrome molto molto grave.

Si è poi osservato che il P53, che lo si trova anche come TP53, perché si chiama tumor protein 53, è sottoposto a mutazioni puntiformi. Infatti si è osservato che le mutazioni scoperte e descritte (più di 1700 mutazioni), sono tutte risultate essere puntiformi e la maggior parte missense, ossia hanno come conseguenza una sostituzione di un aminoacido nella proteina, che viene così mutata e non funziona più in modo corretto (come la proteina fisiologica). La proteina è quindi incapace di assemblarsi come tetrametro, difatti anche se è mutato uno solo dei due alleli, la mutazione diviene dominante. Perciò se c’è anche solo un monomero all’interno del tetrametro, e questo è incapace di assemblarsi correttamente, anche chi porta questa mutazione in eterozigoti (solo un allele inattivato), è di fatto privo della funzione del p53 e manifesta la SINDROME DI LI-FRAUMENI. Quindi anche una sola molecola di proteina mutata impedisce che le molecole di p53 non mutate si assemblino correttamente.

Si è poi oservato che anche il gene BRCA1 e il gene BRCA2 fanno parte del progene protettivo per la cellula, in quanto rientrano nei meccanismi di riparo e regolazione (in genere trascrizione) del DNA. Nello specifico questi sono due gene che risultano mutati nel carcinoma famigliare della mammella che corrisponde ad un 5-10 % di tutti i carcinomi della mammella. Quindi la mutazione di questo gene è associata all’insorgenza in giovane età (prima dei 40 anni) di un carcinoma mammario bilaterale, o di carcinoma ovarico o di un carcinoma della mammella maschile. Infatti anche i maschi sono colpiti e specialmente se è mutata la forma del BRCA2. Inoltre il BRCA1 e il BRCA2 sono proteine nucleari coinvolte nella regolazione della trascrizione e nel riparo del DNA. Quindi una mutazione che inattivi BRCA1 o BRCA2 rende la cellula meno efficiente nel riparo del DNA e quindi più esposta all’accumulo di mutazioni e quindi alla trasformazione tumorale. Anche qui esiste un test genetico per vedere se si è o no predisposti a questo tipo di tumore.

Prendiamo ora in considerazione i proto-oncogeni della VI classe, i geni del DNA-Repair, i cui difetti possono causare diverse malattie. In particolare per quanto riguarda il gene DNA-Repair, prendiamo in considerazione soltanto le due sindromi più frequenti: la sindrome di Lynch e lo Xeroderma pigmentoso (XP). All’origine della SINDROME DI LYNCH, che predispone per il carcinoma del colon ereditario senza poliposi (ci sono infatti due tipi di carcinoma, quello poliposico e quello senza poliposi), c’è l’alterazione di un gene DNA-Repair, che è detta DNA mismatch Repair. In particolare i geni coinvolti, che causano un’inefficienza di questo DNA-Repair sono: MSH2 (30%), MSH1 (30%), hPMS1 e hPMS2 (10%). Inoltre anche una sola mutazione che coinvolga uno solo di questi geni porta alla sindrome di Lynch e quindi predispone a cancro dell’endometrio, cancro allo stomaco, cancro del tratto biliare e cancro ovarico. Quindi chi ha familiari stretti con riconosciuta sindrome di Lynch o comunque con tumori multipli di questo tipo, deve ovviamente fare il test genetico (vedere la sequenza di questi geni) ed eventualmente iniziare un processo di prevenzione con diagnostica molecolare, infatti questi individui hanno una probabilità dell’ 80 % di sviluppare almeno uno di questi tumori.

Lo XERODERMA PIGMENTOSO è una malattia che predispone a tumori ed in particolare al tumore della pelle, ha come base molecolare la mutazione di alcuni geni che partecipano al DNA nucleotide excision repair system, che è un sistema di riparazione del DNA per eccisione, cioè taglia e corregge i danni da ultravioletti e principalmente i dimeri di timina che si formano quando la nostra pelle viene esposta ai raggi solari. Difatti normalmente e continuamente nelle cellule del nostro corpo più esposte al sole, si formano dei dimeri di timina che devono essere rimossi da questo sistema di riparo del DNA. Quindi se i geni ERCC2, 3, 4 e 5, DNA polimerasi eta (Pol h) che fanno parte di questo sistema, vengono inattivati per mutazione, si ha come conseguenza un’inefficienza del DNA nucleotide excision Repair nel correggere questi danni. Quindi, in questi casi, una semplice esposizione ai raggi del sole predispone a melanoma, epitelioma spino e basocellulare. Ci sono infatti bambini (come quelli di The Others) che non possono essere esposti alla luce solare. Parliamo di bambini perché anche in questo caso è difficile che persone affette da tale malattia riescano a raggiungere la maggiore età. La luce solare ha dunque un effetto nocivo su questi soggetti perché induce la formazione di dimeri di timina che non riescono ad essere rimossi in modo efficiente, infatti causa la comparsa di arrossamenti, fotosensibilità, l’accumulo di mutazioni con conseguente comparsa di tumori benigni e infine maligni (epitelioma e melanoma). Anche in questo caso la predisposizione al cancro come per l’RB, il p53, i geni MSH1 e MSH2 (geni della sindrome di Lynch), è ereditata dai genitori mediante la trasmissione da parte di questi ultimi delle mutazioni dei geni sopraccitati. Questi geni vengono quindi trasmessi alla prole già mutati e predispongono tutto l’organismo a vari tipi di tumori, è perciò importante conoscere i portatori per iniziare un processo di attenta prevenzione.