Cancro - crescita e divisione cellulare incontrollate - inattivazione funzioni tissutali - morte organismo - e-learning

Cancro
-­crescita  e  divisione  cellulare  incontrollate
-­inattivazione   funzioni  tissutali
-­morte  organismo

Cancro:  malattia  genetica
                   Mutazioni

• 1.  Ereditaria   (predisposizione)
• 2.  Acquisita  (mutazioni   nelle  cellule  
  somatiche)

Cancro:  malattia  genetica
          1.  Ereditaria  (predisposizione)
 2.  Acquisita  (mutazioni  nelle  cellule  somatiche)

Il caso Angelina Jolie: mastectomia per contrastare la predisposizione

Eredità  mendeliana

Eredità  legata  all’X

Cancro:  malattia  genetica
         1.  Ereditaria  (predisposizione)
2.  Acquisita  (mutazioni  nelle  cellule  somatiche)

 Mutazioni:  errori  nella  replicazione  del  DNA  

• 1/3  di  affetti  da  cancro  durante  la  vita
• 104  cellule  che  si  dividono  per  varie  decadi  di  vita
• Perchè così  raro?

Perchè….

• Più  mutazioni  richieste  per  trasformazione  tumorale
      • Processo  multistep  analogo  all’evoluzione  darwiniana:  
una  serie  di  cambiamenti  successivi,  che  favoriscono  la  crescita,  porta  alla  
         progressiva  trasformazione  di  una  cellula  normale  in  tumorale

• Processi  cellulari  di  “difesa”
 • Ciclo  cellulare  controllato  da  una  rete  di  meccanismi  a  feed  back
 • Cellule  irregolari  eliminate  per  apoptosi

Ciclo  cellulare
 Transizione  tra  le  fasi  regolata  da  una  rete  di  segnali  chimici
specifici  a  sua  volta  collegata  al  ciclo  cromosomico  da  accumulo,  
    modificazione  e  distruzione  ciclici  di  componenti  chiave  

                • Chinasi (proteine  che  fosforilano)  
        • evolutivamente  conservate  (lievito-­uomo  cdc2-­p34)
       • che  per  funzionare  devono  associarsi  ad  una  ciclina

                • CDKs   (Cyclin-­Dependent  Kinases)
                    cdc2-­p34  =  Cdk1  =  G2              M
                                   Cicline
                         (16  nell’uomo)
     accumulate  gradualmente  in  interfase  e  distrutte  in  mitosi

•Checkpoints:   controllo  delle  transizioni
     •blocco  avanzamento  del  ciclo  fino  a  quando  
                 la  cellula  è  “pronta”.  
           Sistema  di  monitoraggio   dei  
           segnali  intra-­ ed  extracellulari

                          G1 Checkpoint
                       Check  for  DNA   damage

4  checkpoints  caratterizzati
                       G1  early:restriction
crescita  cellulare  e  interazione  con  la  matrice  extracellulare
                           CDK4-­cyclin  D

                    G1  late:  DNA  damage:  
            integrità  DNA  prima  della  replicazione
                                p53

                     G2:  DNA  damage
                 completamento  replicazione
                     Rad,  Hus  (sensori)
                  ATM,  ATR,  Chk1  (effettori)

        Metaphase  (spindle  assembly  checkpoint)
               attacco  cromosomi  al  fuso
                       BUB  e  MAD

La  cellula  come  circuito  integrato

Due  classi  di  geni  che,  se  mutati,  possono  
         contribuire   allo  sviluppo  tumorale

                            Oncogeni  
              virali  (v-­onc)  e  cellulari  (c-­onc)
           Se  espressi  in  eccesso  promuovono  la  divisione
20  oncogeni  retrovirali  (fattori  di  crescita,  trascrizione,  chinasi)
   Omologhi  cellulari  con  introni,  evolutivamente  conservati
                        Attivatori  dominanti

                         Oncosoppressori
           Se  inattivati  non  riescono  a  bloccare  la  divisione
                    pRB,  p53,  pAPC,  pBRCA1,  pBRCA2

Hallmarks of cancer
Processo  multistep  analogo  all’evoluzione  darwiniana:  
    funzioni acquisite che consentono alle cellule
  tumorali di sopravvivere, proliferare e diffondersi.
                  1.

        3.                     2.

       5.                      6.

                   4.

G1 Checkpoint
Check  for  DNA   damage

Ras wild type

Ras nella cellula tumorale

  Mutato nel 25% dei tumori
         oncogene

c-myc (fattore di trascrizione)
         Complessi Myc-Max       crescita e replicazione
       Complessi Myc-Mad      differenziamento terminale
             Overespressione di c-myc impedisce il
       differenziamento terminale nelle cellule tumorali

Traslocazione reciproca nel linfoma di Burkitt che coinvolge il
gene c-myc (che viene iper-espresso; effetto di posizione)

Processes needed for cancer
                     1.

           3.                 2.

           5.                 6.

                     4.

Segnali anti-crescita possono bloccare la proliferazione cellulare in due modi:

1.Passaggio nello stato G0 (eventualmente reversibile)
2.Blocco permanente della proliferazione e inizio differenziamento

                                G1 Checkpoint
                             Check  for  DNA   damage

Segnali  anti-­proliferativi  convogliati  dalla  proteina  pRb

Retinoblastoma: raro tumore infantile dell’occhio
Incidenza 5/100.000
40% mutazione ereditaria
60% sporadico

pRb proteina di 105 kd
coinvolta nel controllo
del ciclo cellulare

Checkpoint G1

• pRb necessaria  per  mantenere  le  cellule  arrestate  in  G1

          pRb tumorale è inattivo e perde la capacita’ di legare E2F

         E2F sempre libero di attivare i geni della divisione cellulare

                          Proliferazione incontrollata

                           Rb =oncosoppressore

Processes needed for cancer

                          1.

             3.                2.

             5.                6.

                         4.

3. Evading apoptosis

Espansione popolazione cellule tumorali: proliferazione vs logorio

                   Apoptosi: morte cellulare programmata
     Programma presente in tutte le cellule che, una volta innescato da vari
     segnali, si sviluppa in una sequenza quasi “coreografica” di passaggi:

                            in 30-120 min.
 cellular membranes are disrupted,
 cytoplasmic and nuclear skeletons broken down,
 cyotsol extruded,
 chromosomes degraded,
 nucleus fragmented

             entro 24 hrs il “cadavere” cellulare è “riassorbito”
                dalle cellule contigue del tessuto e scompare

Apoptotic genes

• Apoptotic sensors:
•necessità di mantenere la corretta “architettura” tissutale
-recettori di superficie che legano fattori extracellulari (Fas, TNFalpha
receptors).
-intracellulari (DNA damage, signalling imbalance, survival factor
insufficiency, hypoxia)

• Apoptotic mediators:
Bcl2 family, cytocrome C

• Apoptotic effectors:
Caspases (proteasi)

                                 P53
                         transcription factor
                    mutata nel 50% dei tumori umani

G1 Checkpoint
Check  for  DNA   damage

Come funziona p53

                    -P53 regola positivamente Bax
                    -Bax stimola i mitocondri a rilasciare
                    Citocromo C e parte il programma

Processes needed for cancer

                          1.

             3.                2.

             5.                6.

                         4.

4. Potenziale replicativo illimitato

     Cellule normali: numero limitato di cicli di crescita e divisione

     Senescenza                            Crisi
     stato non proliferativo
     ma vitale

              Acquisizione di potenziale
              replicativo illimitato       morte

4. Potenziale replicativo illimitato: Telomeri

 telomeri: migliaia di ripetizioni di una sequenza di 6bp (TTAGGG)

Strutture specializzate che impediscono alle estremità dei cromosomi di
frastagliarsi e di fondersi l’una con l’altra, creando uno sbilanciamento
dell’informazione genetica

Capping telomerico
(proteine che si associano alle estremità cromosomiche e le proteggono)

Senza telomeri le estremità sarebbero percepite come DNA rotto,
che la cellula tenterebbe di riparare determinando
un blocco della replicazione e infine morte cellulare

La replicazione
    dei telomeri

In assenza di un meccanismo di
compensazione, le estremità dei cromosomi
sono destinate ad essere “corrose” a causa
del meccanismo stesso della replicazione
del DNA, portando (alla lunga) alla perdita
di informazioni genetiche poste agli estremi
dei     cromosomi,      oltre   che      alla
“appiccicosità” dei telomeri che a sua volta
può portare alla formazione di aberrazioni
cromosomiche.

La telomerasi

Tramite un RNA complementare al
DNA    telomerico,   la    telomerasi
promuove l’allungamento del telomero.

i) Le cellule hanno un potenziale replicativo limitato:
   erosione dei telomeri, 50-110bp ad ogni ciclo cellulare
Cellule del sangue: 8.000bp alla nascita, 3.000 mezza età,
1500bp anziani

ii) Una volta esaurito il potenziale (50-70 divisioni) le cellule
si fermano ed entrano in senescenza (G0 irreversibile)

 iii) Se p53 e pRb sono mutati le cellule continuano a replicarsi fino
al punto di “crisi” (erosione telomerica, fusioni cromosomiche)
che in genere si conclude con la morte cellulare
            1/107 diventano immortali (cellule tumorali)

 Up regulation della Telomerasi (85/90%) o del meccanismo ALT
 (telomerase independent recombination-based reconstitution of telomeres)

Processes needed for cancer
                     1.

           3.                 2.

           5.                 6.

                     4.

5. Sustained angiogenesis

Embryogenesis: new endothelial cells and their assembly into tubes
                       Vasculogenesis
       and sprouting of new vessels from the existing ones
                          Angiogenesis

                             Quiescence

     Adult: Vasculogenesis transiently turned on (wound healing)

              Tumor progression: “angiogenic switch”
               that helps expanding neoplastic growth

5. Sustained angiogenesis

  A growing cell must reside within 100µm of a capillary blood vessel

•Pro-angiogenic signals
Growth factors: Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) up-regulation
induced by Ras mutation; Fibroblast Growth factors 1/2)
Binding to transmembrane receptors
Matrix binders (integrin switch)

•Anti-angiogenic signals (normally required to modulate transitory
angiogenesis during tissue remodeling and wound healing)
Thrombospondin (TSP-1), transcription activated by p53.
Endostatin
Fragments of plasmin (angiostatin)
Angiogenic regulators derived from proteolytic cleavage of Structural
proteins

5. Sustained angiogenesis

•Blood vessels produced within tumors are typically aberrant

•Precocious capillary sprouting
•Convoluted vessel branching
•Distorted and enlarged vessels
•Microhemorrhaging

              Angiogenic switch from vascular quiescence
early to mid-stage event in human cancer (shared in most common cancers)
  Prerequisite for rapid expansion and formation of macroscopic tumors

Processes needed for cancer
                     1.

           3.                 2.

           5.                 6.

                     4.

6. Tissue invasion and metastasis

Invasion and traveling to distant sites, eventual colonization

 • Local invasion
 • Intravasation by cancer cells into nearby blood and lymphatic vessels
 • Transit of cancer cells through the lymphatic and hematogenous systems
 • Escape from the lumina of vessels into the parenchyma of distant tissues
   (Extravasation)
 • Formation of small nodules of cancer cells (micrometastases)
 • Growth of metastatic lesions into macroscopic tumors
 • (colonization)

6. Tissue invasion and metastasis

Invasion and traveling to distant sites

Alteration of proteins involved in tethering of cells to the surroundings:

• CAM (cell-to-cell adhesion molecules)
N-CAM switch to poorly adhesive forms in neuroblastoma, Wilm’s tumor, small
cell lung cancer, pancreatic and colorectal cancer

•Cadherins
E-cadherin (homotypic cell-cell interactions) lost in most epithelial cancers

Integrins (carcinoma switch to alpha3beta1 and alphaVbeta3 subtypes that
preferentially bind degraded stromal components)

6. Tissue invasion and metastasis

Eventual colonization

Metastases: amalgamas of cancer and “conscripted” normal cells

extracellular proteases (upregulated)
Matrix-degrading proteases produced not by epithelial cancer cells but by
conscripted stromal and inflammatory cells

6. Tissue invasion and metastasis

     ‘‘Epithelial-mesenchymal transition’’ (EMT)
      developmental regulatory program, that has become prominently
 implicated as a means by which transformed epithelial cells can acquire the
          abilities to invade, to resist apoptosis, and to disseminate

   A set of pleiotropically acting transcriptional factors
   orchestrate the EMT and related migratory processes during
   embryogenesis.

   These transcriptional regulators are expressed in various combinations in a
   number of malignant tumor types.

   Causally important for programming invasion in experimental models of
   carcinoma formation; some have been found to elicit metastasis when
   ectopically overexpressed

Intracellular Signaling Networks Regulate the Operations
                     of the Cancer Cell

Parallel pathways of tumorigenesis

                            Six capabilities can be acquired in
                            different orders

                         A single genetic lesion may confer
                         multiple capabilities. E.g. p53:
                         angiogenesis and resistance to apoptosis

Enabling characteristics and emerging hallmarks

  - Switch to “aerobic glycolysis” : glucose metabolism reprogrammed to favor
  glycolysis to pyruvate versus mitochondrial oxidative phosphorylation

- Increase of certain cancers in immunocompromised patients: new evidence that immune
system prevents tumor formation and progression also in non virus-induced cancers.
Involvement of both acquired and native(NK cells) immune systems

Acquisition of multiple hallmarks largely depending on a
   succession of neoplastic cell genomic alterations
Multistep tumor progression as a succession of clonal expansions triggered by
chance aquisition of an enabling mutant phenotype or by epigenetic changes
affecting regulation of gene expression (methylation, histone modifications, etc.)

        Cancer cells often increase the rates of mutation
• Breakdown of DNA-maintenance machinery components
  (damage sensor and repair genes)

• Compromising the surveillance mechanisms
  (mutations in tumor suppressor genes that control senescence and apoptosis)

• Loss of telomeric DNA generating chromosome instability
 (double role of telomerase)

Enabling characteristics and emerging hallmarks

Tumor-promoting inflammation

Tumors infiltrated by immune cells, mirroring the inflammatory conditions
                        arising in normal tissues.
         Attempt of the immune system to eradicate tumors?

                             Paradox:

 Tumor-associated inflammatory response enhancing tumor progression
 helping incipient neoplasia to acquire hallmarks:

 • Growth factors sustaining proliferative signaling
 • Survival factors limiting cell death
 • Proangiogenic factors
 • Release of mutagenic chemicals (reactive oxygen species)accelerating
 genetic evolution toward malignacy

Therapeutic targeting of the hallmarks of cancer