D.ssa Lisa Fusetti lisa.fusetti@unimib.it GENETICA DEI TUMORI D.ssa Lisa Fusetti lisa.fusetti@unimib.it

PRINCIPI DI BASE DI GENETICA DEI TUMORI ONCOGENI/ONCOSOPPRESSORI OBIETTIVI DIDATTICI PRINCIPI DI BASE DI GENETICA DEI TUMORI ONCOGENI/ONCOSOPPRESSORI INSTABILITA’ GENICA/FAMILIARITA’ STUDI DI POPOLAZIONE ESEMPI DI TUMORI A STORIA GENETICA NOTA SIGNIFICATIVITA’ DEL “GENETIC COUNSELLING” Lisa Fusetti

PRINICIPI DI BASE DI GENETICA DEI TUMORI Trasformazione tumorale di una cellula normale: almeno 6 mutazioni specifiche normale tasso di mutazione di una cellula è di 10-7 per gene numero totale di geni per cellula: 106 numero di cellule per persona 1013 La probabilità che una persona sviluppi tumore è 1013 x 10-42, cioè 1:1029 Lisa Fusetti

Nonostante ciò il cancro si sviluppa a causa della combinazione di due meccanismi: mutazioni che aumentano la proliferazione cellulare: popolazione espansa di cellule in cui può verificarsi la successiva mutazione mutazioni che diminuiscono la stabilità del genoma: aumento del tasso di mutazione complessivo Lisa Fusetti

IPERPLASIA (crescita benigna)  TUMORE MALIGNO Poiché il tumore dipende da questi stessi due meccanismi, si sviluppa per stadi: IPERPLASIA (crescita benigna)  TUMORE MALIGNO L’instabilità cromosomica dei tumori maligni è ben visibile nei cariotipi aberranti Lisa Fusetti DA: GENES, CHROMOSOMES & CANCER 1999, 24:213-221

Le mutazioni possono essere germinali (a trasmissione mendeliana) e/o sporadiche. Le mutazioni germinali tumorali conferiscono suscettibilità al cancro, perché si sviluppi tumore occorre una mutazione somatica detta anche sporadica essendo un evento casuale Trasmissione mendeliana comporta la preesistenza di una mutazione germinale, un tumore sporadico origina invece da una mutazione somatica DA:GENETICS IN MEDECINE THOMPSON &THOMPSON Lisa Fusetti

ONCOGENI/ONCOSOPPRESSORI Le mutazioni tumorali interessano geni che controllano la proliferazione, il differenziamento e la morte cellulare: ONCOGENI  PROTO-ONCOGENI: mutazioni “gain of function”, per lo più in eterozigosi, spesso mutazioni somatiche GENI ONCOSOPPRESSORI: mutazioni “loss of function”, solo in omozigosi Lisa Fusetti

fattori di crescita (SIS) recettori di superficie (ERBB) PROTO-ONCOGENI Circa la normale funzione degli oncogeni cellulari (proto-oncogeni) si possono distinguere cinque classi principali: fattori di crescita (SIS) recettori di superficie (ERBB) componenti del sistema intracellulare di trasduzione del segnale (RAS, ABL) proteine che si legano al DNA, fattori di trascrizione (MYC, JUN) cicline, chinasi ciclino-dipendenti e loro inibitori (regolatori del ciclo cellulare) Lisa Fusetti

Le modalità di attivazione sono: L’attivazione di un proto-oncogene può essere quantitativa e/o qualitativa Quasi sempre sono mutazioni somatiche (quelle germinali sono per lo più letali) Le modalità di attivazione sono: amplificazione, citogeneticamente evidenziabile come double minute o HSR (Homogenously Staining Regions), es. Myc mutazioni puntiformi, es Ras traslocazioni cromosomiche che creano geni chimerici, es. cromosoma Philadelphia trasposizione in un dominio di cromatina attiva, es. linfoma di Burkitt Lisa Fusetti PROTO-ONCOGENI

IBRIDAZIONE GENOMICA COMPARATIVA (CGH) Si utilizza una miscela di DNA di cellule normali e tumorali in una FISH comparativa e con l’aiuto di uno scanner si individuano le regioni cromosomiche in cui il rapporto tra i segnali FISH dei due tipi di DNA devia dai valori attesi sia come amplificazione che come delezione. DA: GENES, CHROMOSOMES & CANCER 1999, 24:213-221 Lisa Fusetti PROTO-ONCOGENI

Geni chimerici prodotti da riarrangiamenti cromosomici specifici di alcuni tumori DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL Lisa Fusetti PROTO-ONCOGENI

CROMOSOMA PHILADELPHIA DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL Lisa Fusetti PROTO-ONCOGENI

LINFOMA DI BURKITT PROTO-ONCOGENI DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL PROTO-ONCOGENI Lisa Fusetti

spesso sono già presenti come mutazioni germinali ONCOSOPPRESSORI spesso sono già presenti come mutazioni germinali le mutazioni comportano una perdita di funzione sono stati scoperti utilizzando tre diversi approci di ricerca: il clonaggio posizionale dei geni che determinano tumori rari ereditari, analisi di LOH (perdita di eterozigosi) e/o CGH, analisi dei tumori diretta verso geni noti coinvolti nella regolazione del ciclo cellulare. molti geni oncosoppresori sono silenziati con modalità epigenetiche, ad esempio per metilazione del DNA nelle zone/isole CpG: è stato dimostrato per CDKN2A, VHL, RB1 e MLH1 Lisa Fusetti

il locus Rb è stato mappato in 13q14 Retinoblastoma 40% dei casi ereditato come carattere autosomico dominante con penetratnza incompleta il locus Rb è stato mappato in 13q14 frequentemente nei casi familiari è bilaterale. Su questo tumore è stata formulata l’ipotesi di Knudson dei due stadi. Secondo tale ipotesi occorrono due mutazioni successive per trasformare una cellula normale in tumorale, nel caso del Retinoblastoma familiare una delle due è ereditata ONCOSOPPRESSORI Lisa Fusetti DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL

Meccanismi di perdita di funzione dei geni oncosoppressori DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244 Lisa Fusetti ONCOSOPPRESSORI

Tumori rari familiari: DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL ONCOSOPPRESSORI Lisa Fusetti

INSTABILITA GENICA/FAMILIARITA’ I tumori si possono suddividere in sporadici e familiari Il 5% dei casi di tumore ha base familiare L’eredità tumorale è su base multifattoriale Eredità tumorale significa predisposizione allo sviluppo Lisa Fusetti

PREDISPOSIZIONE AL CANCRO geni rari, ereditati nella linea germinale, sono responsabili della comparsa di molteplici casi di tumore in una stessa famiglia, vengono identificati per linkage genetico e clonaggio posizionale:es. Rb e p53 geni ad alta penetranza: es. APC, BRCA1 e BRCA2 Lisa Fusetti

COME SI SVILUPPA IL CANCRO? ipotesi di Knudson: comporta il coinvolgimento di un unico gene deputato al controllo intracellulare della proliferazione cancro come disordine poligenico: il bersaglio delle mutazioni tumorali non è un solo gene, ma piuttosto la fitta rete di segnali che una cellula invia e riceve in un tessuto e nello stroma L’accumulo di evidenze sperimentali e cliniche sembra avvalorare sempre più l’ipotesi del cancro come disordine poligenico: esemplare è il caso del cancro al seno. Lisa Fusetti

STUDI DI POPOLAZIONE Cancro al seno Studi epidemiologici di popolazione hanno dimostrato che soltanto il 15-20% dei casi di cancro al seno familiare presenta mutazioni nei geni BRCA1 e BRCA2; il rimanente 80-85% dei casi di rischio familiare ha sempre base genetica ma multifattoriale, cioè sono coinvolti altri geni oltre a BRCA1/2 DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244 Lisa Fusetti

L’ipotesi di una predisposizione su base poligenica da sola non è sufficiente per spiegare i dati di trasmissibilità genetica del cancro al seno Lisa Fusetti DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244

mutazioni ereditate che controllano l’integrità del genoma Una caratteristica fondamentale di tutte le cellule tumorali è l’instabilità genomica causata da: mutazioni ereditate che controllano l’integrità del genoma mutazioni somatiche acquisite durante lo sviluppo del tumore Lisa Fusetti DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244

“MULTISTAGE MODEL” di sviluppo tumorale Si assume che ogni evento mutageno importante conferisce un vantaggio clonale selettivo alla cellula in cui avviene per un successivo evento mutageno così via fino allo sviluppo di un tumore maligno. Permane però poco spiegata la differenza tra: Eventi mutazionali precoci e tardivi Ruolo dell’instabilità genomica nella progressione tumorale DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL Lisa Fusetti

MODELLO DI VOGELSTEIN PER LO SVILUPPO DEL CARCINOMA COLONRETTALE Lisa Fusetti

La suscettibilità/predisposizione allo sviluppo di un tumore risulta essere più un gioco combinato di alleli ereditati di geni che danno una debole predisposizione al tumore e mutazioni somatiche responsabili della progressione tumorale. Lisa Fusetti DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244

Studi di popolazione di incidenza del cancro Eventi genomici, genetici e epigenetici sono strettamente collegati nella formazione del tumore, anche nei tumori che sembrano insorgere spontaneamente come mutazioni somatiche. Studi di popolazione di incidenza del cancro Studi genetici classici per la scoperta dei geni coinvolti e dei loro meccanismi d’azione Lisa Fusetti

ESEMPI DI TUMORI A “STORIA GENETICA” NOTA Cancro al seno Cancro all’ovaio Cancro al polmone Cancro al colon Tumori dell’infanzia Sindrome Li-Fraumeni Lisa Fusetti

sono geni oncosoppressori CANCRO AL SENO Circa il 10% dei casi di tumore al seno si “raggruppa” in famiglie: questi casi sono indicativi di mutazioni germinali con alta penetranza in un piccolo numero di geni (es.BRCA1 e BRCA2) che danno alto rischio di tumore La maggior parte sono casi sporadici originati da mutazioni multiple a bassa penetranza in un ampio gruppo di geni (es.p53, PTEN,..) Il 15-20% dei casi familiari hanno mutazioni nei geni BRCA1 (17q21) e BRCA2 (13q12): i loro prodotti sono coinvolti in processi di DNA repair, ricombinazione, controllo del ciclo cellulare e trascrizione sono geni oncosoppressori hanno modalità di trasmissione autosomica-dominante, con penetranza del 70-80% Lisa Fusetti

Mutazioni in BRCA1/2 sono presenti: 5.9-9.4% donne sotto i 35 anni BRCA1 E BRCA2 Sono note centinaia di mutazioni a carico dei due geni, sia non-sense sia frame-shift, che danno proteine tronche; frequentemente il tipo di mutazione è specifico per famiglia/gruppo etnico Mutazioni in BRCA1/2 sono presenti: 5.9-9.4% donne sotto i 35 anni 12-13.2% donne sotto i 45 anni con un familare affetto dopo la menopausa il rischio dimunuisce nelle donne con mutazione in BRCA1 e aumenta nel caso di mutazione in BRCA2 tumori che hanno mutazioni in BRCA1/2 hanno comparsa precoce prima dei 35 anni BREAST CANCER Lisa Fusetti

GENETIC COUNSELLING Lo screening per mutazioni in BRCA1 e BRCA2 è consigliato anche per soggetti sani indipendentemente dalla loro storia familiare, in famiglie ad alto rischio spesso si pesenta anche il fenomeno dell’anticipazione in cui il tumore si sviluppa sempre più precocemente nelle generazione successive. DA: CANCER TREATMENT REVIEWS 2001, 27:295-304 Lisa Fusetti BREAST CANCER

CANCRO ALL’OVAIO Una storia familiare di cancro all’ovaio conferisce un aumentato rischio di sviluppo di tumore. DA: BEST PRACTICE & RESEARCH CLINICAL OBSTETRICS AND GYNAECOLOGY 2002, 16:449-468 Lisa Fusetti

Famiglie con 2 casi di cancro all’ovaio: per 1/5 mutazioni in BRCA1/2 Non sono stati ancora identificati geni che conferiscano da soli un’aumentata suscettibilità al cancro all’ovaio Famiglie con almeno 4 casi di cancro all’ovaio: per 2/3 mutazioni in BRCA1/2 Famiglie con 2 casi di cancro all’ovaio: per 1/5 mutazioni in BRCA1/2 Linkage con cancro al seno, HNPCC (Hereditary NonPoliposis Colonrectal Cancer), sindrome di Lynch: in genere la suscettibilità allo sviluppo di questi tumori è data da difetti nel sistema del “Mismatch Repair” (MMR) Il “genetici counselling” è consigliato solo in casi di forte familiarità per il cancro al seno 0VARIAN CANCER Lisa Fusetti

E’ un tumore ad origine multigenica CANCRO AL POLMONE E’ un tumore ad origine multigenica Lisa Fusetti DA:ONCOGENE 2002, 21:7421-7434

Particolarmente interessanti sono i geni p53 e FHIT: entrambi presentano anomalie nel tumore al polmone strettamente correlate con lo sviliuppo dell’iperplasia Trascritti anomali di FHIT si riscontrano nel 80% dei casi di SCLC (Small Cell Lung Cancer) e 42% di NSCLC (Non-Small Cell Lung Cancer) FHIT è un target preferenziale di carcinogeni come il tabacco si pensa a causa di una regione fragile all’interno del gene stesso (FHIT=Fragile Histidine Triade) LUNG CANCER Lisa Fusetti DA: EUR.J.CANCER 2001, 37 SUPPL:S63-73

Sono descritti tre diversi tipi: sporadico: circa il 70% dei casi CANCRO AL COLON Circa il 5% delle persone è destinato a sviluppare cancro al colon-retto Sono descritti tre diversi tipi: sporadico: circa il 70% dei casi ereditario: circa il 10% dei casi familiare: circa il 25% dei casi Lisa Fusetti DA: ANN INTERN MED 2002, 137:603-612

Genetic counselling: COLONRECTAL CANCER DA:ANN INTERN MED 2002, 137:603-612 COLONRECTAL CANCER Lisa Fusetti

Spesso origina da mutazioni somatiche TUMORE DI WILMS E’ il tumore più frequente fra quelli pediatrici, colpisce circa 1:10.000 bambini sotto i 15 anni Spesso origina da mutazioni somatiche In alcuni casi origina da mutazioni germinali ereditate o de novo WT1 è stato il primo gene associato a questo tipo di tumore, in realtà è riscontrabile in molte patologie Lisa Fusetti DA:CURRENT OPINION IN PEDIATRICS 2002, 14:5-11

Il tumore di Wilms è stao uno dei modelli su cui è stata formulata l’ipotesi di Knudson, poi implementata da altre ipotesi di meccanismi genetici attivanti DA:CURRENT OPINION IN PEDIATRICS 2002, 14:5-11 Lisa Fusetti WILMS TUMOR

Sono tumori giovanili: circa l’80% dei casi in bambini o ragazzi TUMORI DESMOPLASTICI I tumori desmoplasti sono meglio definiti come DSRCT (Desmoplastic Small Round Cell Tumors): sono un gruppo eterogeneo di neoplasie indifferenziate senza una precisa caratterizzazione istologica Sono tumori giovanili: circa l’80% dei casi in bambini o ragazzi Sono stati da subito bersaglio di molti studi genetico-molecolari a scopo diagnostico Comprendono: Ewing sarcoma Peripheral Primitive Neuroectodermal Tumors (pPNET) Alveolar Rhabdomyosarcoma Clear Cell Sarcoma Extraskeletal Myxoid Chondrosarcoma Myxoid Lyposarcoma Lisa Fusetti

Quasi tutti sono associati ad una ben precisa traslocazione cromosomica che ha come prodotto una proteina di fusione DA: CANCER GENETICS AND CYTOGENETICS 2002, 138:1-10 Lisa Fusetti DESMOPLASTIC TUMORS

Le traslocazioni coinvolgono nella maggiorparte dei casi in gene EWS e come controparte i geni WT1, FLI1, , ERG,…con diversi punti di fusione DA: CANCER GENETICS AND CYTOGENETICS 2002, 138:1-10 Specificatamente per questi tipi di tumore è necessaria la diagnosi molecolare non essendo risolutiva né quella istologica né quella citologica Lisa Fusetti DESMOPLASTIC TUMORS

SINDROME LI-FRAUMENI Identifica una “famiglia” di tumori, con diversi tipi di cancro (sarcomi, tumore al seno, tumore al colon,…). Il danno genetico è una mutazione germinal nel gene p53 che conferisce un’alta instabilita genomica Lisa Fusetti DA:GENETICS IN MEDECINE THOMPSON &THOMPSON

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