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Oncogeni ed Oncosoppressori. Cellula Tumorale Cellula Normale E una malattia genetica? E una malattia ereditaria? Cosa causa il cancro?

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Presentazione sul tema: "Oncogeni ed Oncosoppressori. Cellula Tumorale Cellula Normale E una malattia genetica? E una malattia ereditaria? Cosa causa il cancro?"— Transcript della presentazione:

1 Oncogeni ed Oncosoppressori

2 Cellula Tumorale Cellula Normale E una malattia genetica? E una malattia ereditaria? Cosa causa il cancro?

3 Radiazioni Virus Cancerogeni chimici Cellula Normale Cellula Tumorale UV Cancro Accumulo abnorme di cellule causato da alterazioni nella: Proliferazione Apoptosi Riparazione del DNA Differenziazione

4 Alterata proliferazione cellulare e cancro Ogni cellula contiene ~ 30-40,000 geni Alcuni geni sono responsabili del controllo della proliferazione cellulare Se in questi geni avviene una mutazione, la proliferazione diventa anomala Lanomala proliferazione è una caratteristica del cancro

5 Cancerogeni chimici UV Cellula Normale Cellula Tumorale Radiazioni Virus Errori di replicazione Danno al DNA Mutazioni puntiformi Riarrangiamenti (traslocazioni, delezioni, Amplificazione) Alterazioni al DNA di geni che controllano la proliferazione

6 1. Cellula somatica normale 2.Espansione clonale con mutazione iniziale 4.Ulteriore espansione di un subclone con mutazione addizionle 3. Espansione di un subclone A con una nuova mutazione e la mutazione iniziale

7 Nelle cellule normali il controllo della proliferazione avviene in specifiche fasi del ciclo cellulare Segnali proliferativi negativi Segnali proliferativi positivi attività metabolica e crescita cellulare

8 Come è controllata la proliferazione cellulare? Il ciclo cellulare e la divisione cellulare sono controllati dalla regolata espressione di geni Lintegrità genomica di tutte le cellule dipende dallattenta attività dei geni riparativi soprattutto in cellule più esposte allazione di genotossici Coinvolge lequilibrio tra lespressione di geni responsabili per la regolazione positiva della proliferazione e lespressione di geni responsabili per la regolazione negativa della proliferazione

9 Cellula Normale Cellula Tumorale Perdita di funzione di uno o più geni oncosoppressori Abnorme espressione di uno o più oncogeni

10 Proto-oncogeni conosciuti. Mutazioni nei proto-oncogeni causano il cancro.

11 Proteine codificate dagli oncogeni

12 Cancerogeni chimici UV Cellula Normale Cellula Tumorale Radiazioni Virus Errori di replicazione Danno al DNA Mutazioni puntiformi Riarrangiamenti (traslocazioni, delezioni, Amplificazione) Alterazioni al DNA di geni che controllano la proliferazione (oncogeni e geni oncosoppressori)- Proliferazione sregolata

13 La scoperta dei geni del cancro nasce da due osservazioni (fine anni 70) Sequenze geniche di retrovirus oncògeni (v-onc) sono omologhe a sequenze di normali geni cellulari (c-onc) da questi catturati Segmenti genici estratti da tumori trasformano cellule normali in cellule neoplastiche

14 Trasformazione cellulare da parte di un virus del sarcoma Rous (RSV) e di un avian leukosis virus (ALV). Entrambi i virus infettano e si replicano nei fibroblasti di pollo, ma solo i RSV inducono trasformazione cellulare

15 Il genoma del retrovirus contiene un gene addizionale, lsrc, che non è presente nellAVL e codifica una protein-tyrosine kinase p60 src

16 Isolamento del virus della leucemia di Abelson. Il virus altamente oncogeno Ab- MuLV fu isolato da un raro tumore che si sviluppava in un topo in cui era stato inoculato un virus non trasformante (Moloney murine leukemia virus, or MuLV), contente solo i geni gag, pol, and env necessari per la replicazione virale. Invece, Ab-MuLV aveva acquisito un nuovo oncogene (abl), responsabile della sua capacità trasformante. Loncogene abl rimpiazza alcuni geni replicativi ed è fuso con un gene gag parzialmente deleto (Δgag) nel genoma Ab-MuLV.

17 Questo scenario suggeriva lipotesi che gli oncogeni retrovirali derivano da geni della cellula ospite, e che occasionalmente tale gene cellulare viene incorporato in un genoma virale, producendo un nuovo virus altamente oncogenico come prodotto di un evento di ricombinazione virus-ospite

18 Le cellule normali contengono geni che sono strettamente correlati agli oncogeni retrovirali

19 I geni delle cellule normali da cui originano gli oncogeni retrovirali sono i proto-oncogeni. Sono importanti geni regolatori, codificanti proteine coinvolte nei pathways di trasduzione del segnale che controllano la normale proliferazione cellulare (es.: src, ras, and raf).proto-oncogeni Gli oncogeni sono espressi in maniera abnorme o sono forme mutate dei corrispondenti proto-oncogeni. Come conseguenza di tali alterazioni gli oncogeni inducono l abnorme proliferazione cellulare e lo sviluppo tumorale.

20 Proteine che partecipano al controllo della crescita cellulare. Il cancro può essere causato dallespressione di forme mutate di queste proteine: fattori di crescita (I), recettori per fattori di crescita (II), proteine del segnale (III), fattori di trascrizione (IV), proteine pro- o anti- apoptotiche (V), proteine che controllano il ciclo cellulare (VI), e proteine che riparano il DNA (VII). Mutazioni delle proteine di classe I – IV danno origine ad oncogeni dominanti attivi. Le proteine di VI classe sono tumor suppressors, mutazioni in questi geni causano la perdita del controllo della proliferazione della cellula. Mutazioni della Classe VII aumenta la probabilità di mutazioni nelle altre classi.

21 Proto-oncogeni conosciuti. Mutazioni nei proto-oncogeni che causano il cancro.

22 Studio di un oncogene tumorale umano mediante transfezione di DNA estratto da un carcinoma della vescica umano in cellule murine; esso induce la trasformazione delle cellule murine. La transformazione è causata dallintegrazione ed espressione di un oncogene derivato dal tumore umano

23 Principali meccanismi per cui un proto- oncogene può diventare un oncogene Traslocazione: Un gene si trova in un nuovo locus, sotto un nuovo controllo Amplificazione genica: Copie multiple di un gene Mutazione puntiforme Proteina in eccesso Proteina iperattiva Nuovo Promoter

24 Attivazione di un oncogene per mutazione puntiforme

25 Mutazione puntiforme nell oncogene ras. Un singolo nucleotide cambiato, che altera il codone 12 da GGC (Gly) a GTC (Val), è responsabile dellattività transformante del oncogene ras

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27 Il ciclo della proteina Ras tra la forma inattiva legata al GDP e la forma attiva legata al GTP avviene in 4 fasi. Il legame dei fattori di crescita ai loro recettori induce la formazione del complesso attivo Ras/GTP. Fase 1: Guanine nucleotide – exchange factor (GEF) facilita la dissociazione del GDP dal Ras. Fase 2: GTP si lega spontaneamente, e il GEF si dissocia lasciando Ras /GTP in forma attiva. Fase 3 e 4: Idrolosi di GTP per generare la forma Ras/GDP inattiva, accelerata da GTPase- activating protein (GAP) o SOS.

28 Mutazione puntiforme Leffetto di questa mutazione missenso crea un oncoproteina Ras che non idrolizza GTP a GDP. Loncoproteina Ras rimane nel complesso Ras–GTP attivo ed attiva continuamente la serine/threonine kinase downstream

29 Regolazione dellattività di Src e sua attivazione per mutazione. (a)Struttura del dominio di c-Src e v- Src. La fosforilazione nella tirosina 527 da parte di Csk, unaltra tyrosine kinase, inattiva lattività Src kinase. Loncoproteina transformante v-Src codificata dal Rous sarcoma virus manca di 18 amino acidi C-terminal compresa la tirosina 527 e così è constitutivamente attiva. (b) Effetto della fosforilazione sulla conformazione di c-Src. Il legame della fosfotirosina 527 al dominio SH2 induce cambiamenti conformazionali sui domini SH3 e kinase, con distorsione il sito attivo della kinase sicchè è cataliticamente inattivo. Lattività della kinase di c- Src è normalmente attivato con la rimozione del fosfato sulla tirosina 527.

30 Attivazione di un oncogene per delezione

31 Effetti di mutazione in proto-oncogeni che codificano recettori di superficie. Una mutazione che altera un singolo aminoacido, nella regione transmembrana del recettore Her2R causa la dimerizzazione di due recettori in assenza del ligando correlata allEGF e rende la proteina costitutivemente attiva. Una delezione che causa la perdita del ligand binding domain extracellulare nel recettore EGF porta all attivazione costitutiva della proteina kinasi

32 La proteina del proto-oncogene Raf è formata da amino-terminal regulatory domain ed un carboxy-terminal protein kinase domain. Nella proteina dell oncogene virale Raf, il regulatory domain è deleto e rimpiazzato dalle sequenze virali Gag. Come risultato, il Raf kinase domain è constitutivamente attivo, causando transformazione cellulare.

33 Attivazione di un oncogene per traslocazione

34 Translocazione del c-myc. Nel linfoma di Burkitt il protoncogene c-myc è traslocato dal cromosome 8 al locus delle catene pesanti delle immunoglobuline (IgH) sul cromosome 14, che causa unabnorme espressione del c-myc

35 Traslocazione di abl. Nella LMC l oncogene abl è traslocato dal cromosoma 9 al cromosoma 22, formando il cromosome Ph. Il protoncogene abl, che contiene due primi esoni alternativi (1A e 1B), si congiunge a metà del gene bcr sul cromosome 22. Lesone 1B è deleto come risultato della translocazione. La trascrizione del gene fuso inizia sul promoter bcr e continua verso abl. Lo splicing genera un mRNA Bcr/Abl, in cui le sequenze dellesone 1A abl sono delete e le sequenze bcr sono congiunte allesone 2 di abl.

36 Riarriangemento cromosomico nel lifoma follicolare. La traslocazione fonde gli elementi trascrizionali enhancer di un gene, sul cromosoma 14, allunità trascizionale di unaltro gene, sul cromosoma 18, che codifica Bcl2, La proteina Bcl2 così viene prodotta dalle plamsma -cellule

37 Attivazione di un oncogene per inserzione

38 Attivazione di c-myc proto- oncogene per inserzione di promoter retrovirale o di un enhancer. (a)Il promoter può essere attivato quando il retrovirus si inserisce upstream (5) degli esoni di c-myc. Il LTR di destra può agire da promoter. (b)Il gene c-myc può anche essere attivato quando un retrovirus inserisce upstream del gene c-myc nella direzione trascrizionale opposta; un LTR virale agisce da enhancer, activando la trascrizione dalla sequenza del promoter di c- myc.

39 OncogeneType of cancerActivation mechanism abl Chronic myelogenous leukemia, acute lymphocytic leukemiaTranslocation akt Ovarian and pancreatic carcinomasAmplification bcl-2Follicular B-cell lymphomaTranslocation D1D1Parathyroid adenoma, B-cell lymphomaTranslocation D1D1Squamous cell, bladder, breast, esophageal, liver, and lung carcinomas Amplification E2A/pbx1Acute lymphocytic leukemiaTranslocation erbB-2Breast and ovarian carcinomasAmplification gipAdrenal cortical and ovarian carcinomasPoint mutation gliGlioblastomaAmplification gspPituitary and thyroid tumorsPoint mutation hox-11Acute T-cell leukemiaTranslocation lylAcute T-cell leukemiaTranslocation c-mycBurkitt's lymphomaTranslocation c-mycBreast and lung carcinomasAmplification L-mycLung carcinomaAmplification N-mycNeuroblastoma, lung carcinomaAmplification PDGFRChronic myelomonocytic leukemiaTranslocation PML/RARαAcute promyelocytic leukemiaTranslocation rasHThyroid carcinomaPoint mutation rasKColon, lung, pancreatic, and thyroid carcinomasPoint mutation rasNAcute myelogenous and lymphocytic leukemias, thyroid carcinoma Point mutation retMultiple endocrine neoplasia types 2A and 2BPoint mutation retThyroid carcinomaDNA rearrangement SMOBasal cell carcinomaPoint mutation

40 Oncogeni che codificano per fattori di crescita

41 Stimolazione di crescita autocrina. Una cellula produce un fattore di crescita al quale risponde, con il risultato di una continua stimolazione della proliferazione cellulare

42 Meccanismo dellattivazione delloncogene Tel/PDGFR. Il PDGFR normale è attivato dalla dimerizzazione indotta dal legame con PDGF. L oncogene Tel/PDGFR codifica una proteina nella quale il dominio extracellulare normale del PDGFR e rimpiazzato da una sequenza N-terminale del fattore di trascrizione Tel. Queste sequenze dimerizzano in assenza di PDGF, con attivazione costitutiva della protein-kinase.

43 Oncogeni che codificano per recettori di membrana

44 Molecole del segnale extracellulare si possono legare sia a recettori extracellulari che intracellulari. Molte molecole del segnale sono idrofile e non possono attraversare la membrana cellulare e si legano ai recettori di superficie cellulare, che generano segnali allinterno della cellula target. Alcune molecole del segnale, diffondono attraverso la membrana plasmatica e si legano a recettori allinterno della cellula target nel cytosol o nel nucleo. Molte di queste molecole sono idrofobiche; sono trasportate dal flusso sanguigno e altri fluidi legate a proteine carrier, dai quali si dissociano prima di entrare nella cellula target.

45 Sei famiglie di recettori tyrosin- kinasi. In alcune sottofamiglie il dominio tyrosin-kinasi e interrotto da una "kinase insert region". Recettori tirosin-kinasi

46 Auto-fosforilazione dei recettori tirosin-chinasi

47 Tre classi di recettori di superficie cellulare

48 Recettori Enzyme-linked (1) recettori guanilil cyclasi, che catalizzano la produzione del cGMP nel cytosol; (2) recettori tirosin- kinasi, che fosforilano specifici residui tirosina su un piccolo gruppo di proteine del segnale intracellulari; (3) recettori tirosin-kinasi-associati, che sono associati a proteine con attività tyrosin-kinasi; (4) recettori tirosin- fosfatasi, che rimuovono i gruppi fosfato dai residui di tirosina di specifiche proteine del segnale intracellulari; (5) recettori serine/treonine kinasi, che fosforilano specifici residui di serina o treonina da alcune proteine intracellulari.

49 I due principali meccanismi intracellulari del segnale hanno caratteristiche comuni. In entrambi I casi una proteina del segnale è attivata all addizione di un gruppo fosfato e inattivato dalla rimozione del fosfato. (A)Il P è aggiunto covalentemente alla proteina del segnale da una protein kinase; (B)La proteina del segnale è indotta a cambiare il suo legame GDP a GTP.

50 Recettori con 7 domini transmembranacei accoppiati alle proteine G eterodimeriche. - Accoppiati alladenil ciclasi - Accoppiati a canali ionici - Accoppiati a PLC Schema dei recettori legandi a G-protein. The parts of the intracellular domains that are mainly responsible for binding to trimeric G proteins are shown in orange, while those that become phosphorylated during receptor desensitization (discussed later) are shown in red.

51 Pathways principali mediante I quali i recettori di superficie legati alle G-protein generano mediatori intracellulari. In entrambi I casi il legame ad un ligando extracellulare altera la conformazione del dominio citoplasmatico del recettore, che si lega alla G-protein e attiva (o inattiva) un enzima della plasma membrana. Nel pathway del cAMP lenzima produce direttamente cAMP. Nel pathway Ca2+ lenzima produce un mediatore solubile (IP3) che rilascia Ca2 + dal reticolo endoplasmico. Entrambi cAMP e Ca2+ inducono il segnale legandosi a proteine specifiche, e alterando la loro conformazione e quindi la loro attività

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54 Oncogeni e segnale di trasduzione. Gli oncogeni agiscono da fattori di crescita (es. EGF), recettori di fattori di crescita (es. ErbB), e molecole del segnale intracellulari (Ras and Raf). Ras e Raf attivano il pathway ERK MAP kinase, inducendo geni addizionali (e.g., fos) che codificano potenzialmente proteine oncogeniche che sono regolatori trascrizionali. Le proteine con potenziale oncogenico sono evidenziate in giallo

55 Azione dell oncogene PML/RAR α PML/RARα blocca la differenziazione da promielociti a granulociti.

56 Oncogeni e sopravvivenza cellulare. Gli oncogeni che segnalano la sopravvivenza cellulare sono fattori di crescita, recettori per fattori di crescita, PI 3-kinase, and Akt. Il segnale del pathway PI 3-kinase/Akt regola membri della famiglia di Bcl-2, che promuove la sopravvivenza cellulare inibendo il rilascio del citocrome c dai mitocondri. Proteine con potenziale oncogenico sono in giallo

57 Il Cancro è una malattia ereditaria? - 15% dei casi di tumore hanno una componente ereditaria

58 Geni adibiti al riparo del DNA (caretakers) 1.La loro mutazione è spesso alla base di sindromi neoplastiche familiari 2. Prototipo sono i geni hMLH1, hPMS1e hPMS2, mutati nellHereditary Non Polyposis Colon Cancer (HNPCC); i geni BRCA-1 e BRCA-2, mutati nel carcinoma della mammella; il gene ATM (atassia-teleangectasia) 3. La mutazione di questi geni non influenza direttamente la crescita cellulare né lapoptosi ma favorisce la trasformazione e accelera la progressione neoplastica. 4. Gli individui affetti presentano instabilità di particolari regioni del DNA (coppie ripetute di 1-6 nucleotidi) denominate microsatelliti

59 Cancro Familiare Lereditarietà di una mutazione predisponente in un oncogene: - RET sindromi tumorali – Carcinoma Familiare della Midollare della tiroide (FMTC) e Neoplasia Endocrina Multipla Tipo 2A (MEN 2A) - MET nel cancro ereditario papillare renale - CDK4 nel melanoma familiare Lereditarietà di una mutazione predisponente in un gene oncosoppressore Lereditarietà di una mutazione predisponente in un gene che ripara il DNA

60 Cancro Familiare Una singola mutazione è insufficiente a causare il cancro Ulteriori alterazioni in altri geni sono necessarie allinsorgenza del cancro

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62 Cancerogeni chimici UV Cellula Normale Cellula Tumorale Radiazioni Virus Errori di replicazione Danno al DNA Mutazioni puntiformi Riarrangiamenti (traslocazioni, delezioni, Amplificazione) Alterazioni al DNA di(0ncogeni e geni oncosoppressori)- Quando avviene unalterazione in un gene della linea germinale Insorge un cancro familiare- Proliferazione sregolata

63 GeniTipi di cancro APCCarcinoma colon/retto BRCA1Carcinomas ovarico e della mammella BRCA2Carcinomas della mammella DPC4Carcinoma pancreatico INK4Melanoma; ca del polmone, tumori del cervello, leucemie, linfomi MADR2Carcinoma colon/retto NF1Neurofibrosarcoma NF2Meningioma p53Tumori del cervello; Ca della mammella, colon/retto, esofageo, fegato, e polmone; sarcomi; leucemie e lymfomi PTCCarcinoma cellule basali PTENTumori del cervello; melanoma; Ca della prostata, endometrio, rene, e polmone RbRetinoblastoma; sarcomi; ca della vescica, mammella, e polmone VHLCarcinoma cellule renali WT1Tumore del Wilms

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65 Ereditarietà del retinoblastoma La suscettibilità al retinoblastoma è trasmessa al 50% dei discendenti.

66 Forma ereditaria Mutazioni somatiche

67 Retinoblastoma e ciclo cellulare La cellula decide se Proseguire nel ciclo cellulare o arrestarsi Punto di restrizione Rb è il principale gene che controlla il punto R Quindi è un target (diretto o indiretto) del processo di cancerogenesi

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69 Ruolo di p53 nel Controllo del ciclo cellulare

70 Il Retinoblastoma inibisce la trascrizione di geni contenenti siti di legame per i fattori di trascrizione E2F

71 G1 S G2 M p16 ARF pRb p53 p21 ATM Rb p21 ATM In loro assenza, le cellule con DNA danneggiato continuano a generare nuove cellule senza riparare il danno La maggior parte dei geni oncosoppressori sono regolatori del ciclo cellulare Alcuni oncosoppressori bloccano il ciclo cellulare in presenza di danno al DNA o incompleta Rip. del DNA Alcuni oncosoppressori sono responsabili della riparazione del DNA danneggiato

72 Geni che riparano il DNA Il cancro insorge anche per difettiva riparazione del DNA Mutazioni nei geni (BRCA1, BRCA2) induce suscettibilità per il Ca della mammella Geni (MSH2, MLH1, PMS1, PMS2, MSH6) nella suscettibilità del Hereditary Non-polyposis Colon Cancer (HPNCC)

73 P16 (Hereditary Melanoma) p16 è mutato o deleto nelle leucemie e nel cancro della testa e del collo. E mutato nel melanoma comprese le forme familiari della malattia. p16 è un membro della famiglia INK4 degli inibitori cyclin dependent kinase inhibitor p16 protegge l Rb dalliperfosforilazione ed inattivazione da parte di cyclin D1/CDK4 Quando p16 è mutato o deleto non è capace di eseguire questa funzione

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77 Conclusioni Il Cancro è una malattia multifattoriale, fattori ambientali e genetici contribuiscono allo sviluppo dei tumori Alterazioni nei proto-oncogeni e nei geni oncosoppressori causano la predisposizione allinsorgenza di tumori. Ma non causano il cancro Lo sviluppo del cancro è un processo multifasico: Addizionali mutazioni sono necessarie affinché si possa sviluppare un tumore Possono essere necessari fino a 6-12 mutazioni per lo sviluppo del cancro I cambiamenti genici possono avvenire negli oncogeni, nei geni oncosoppressori, nei geni che regolano lapoptosi che riparano il DNA e che controllano la differenziazione La predisposizione ereditaria avviene circa nel 15% dei tumori per mutazioni ereditarie in: Geni oncosoppressori Geni che riparano il DNA Raramente oncogeni

78 Oncogeni: Attivati da Mutazioni Dominanti (GOF) Oncosoppressori: Inattivati da Mutazioni Recessive (LOF) Cellule proliferanti in modo abnorme Mutazione attivante permette loncogene a stimolare la proliferazione cellulare Cellula normale Una singola mutazione crea loncogene Due mutazioni inattivanti eliminano la funzionalmente il gene oncosoppressore, stimolando la proliferazione cellulare Cellula normale Una mutazione Inattiva un gene oncosoppressore La mutazione di una singola copia del gene non ha effetto La 2°mutazione Inattiva un gene oncosoppressore Inattiva il gene oncosoppressore

79 Loss of Heterozygosity (LOH) Perdita di Eterozigosi La seconda mutazioneinattivante di una normale copia del gene può avvenire mediante alcuni meccanismi Second Mutation

80 La natura multifasica del cancro Lo sviluppo del cancro è un processo multifasico che coinvolge 6-12 cambiamenti in geni regolatori. Lo sviluppo del cancro dipende da alterazioni in vari pathways della trasduzione del segnale nella cellula. Esempio: il cancro Colon-rettale. Lo sviluppo del cancro dipende dallalterazione di molti geni in un pathway di transduzione. In molti casi queste alterazioni possono essere ridondanti.

81 p53 MDM2 p21 GADD45 BAX FAS IGF-BP3 Cdk4/6 cyclin D + Espressione di Geni in S-fase pRB inattiva E2F ATTIVO PCNA DNA pol Apoptosi Arresto in G1 Targets Trascrizionali di p53 Attivazione di p53 - incremento dei livelli di proteina - modificazione (Fosforilazione) Danno al DNA ATM/R

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