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Oncogeni e oncosoppressori: ruolo funzionale nel cancro

Il cancro è una malattia genetica causata da alterazioni nel DNA o nei suoi sistemi di regolazione, che possono verificarsi in maniera spontanea e casuale nel corso della vita. Possono anche essere ereditarie o insorgere a seguito dell’esposizione ad agenti esterni e fattori ambientali (ad esempio il fumo di sigaretta o i raggi UV). Ma non è la mutazione di un singolo gene a causare il cancro. La malattia è piuttosto il risultato di una sequenza di mutazioni, a carico di geni che regolano i processi di crescita, proliferazione e morte cellulare, i meccanismi di riparo dei danni al DNA e le strategie di fuga dal sistema immunitario. Due sono i tipi di geni che decidono quale direzione prenderà la cellula: gli oncogeni e gli oncosoppressori. I primi aumentano la possibilità che una cellula assuma caratteristiche tumorali mentre i secondi la proteggono dall’accumulo di mutazioni.

Storia di due scoperte

Dagli oncovirus agli oncogeni

Lo studio dei virus oncogeni, o oncovirus, ha rappresentato la prima spia dell’esistenza di geni in grado di trasformare le cellule sane in cellule tumorali[1]. Gli oncovirus sono virus che causano il cancro, ad esempio HPV (tumore al collo dell’utero), HBV (carcinoma epatocallulare) ed EBV (linfoma di Burkitt). Sono responsabili del 15% di tutti i tumori.

La loro scoperta risale al 1910, quando Peyton Rous, virologo al Rockfeller Institute di New York, scopre che un virus a RNA, chiamato in suo onore Rous Sarcome Virus o RSV, è in grado di trasformare in vitro cellule embrionali di pollo in cellule maligne. Se inoculato in vivo, inoltre, il virus induce la formazione di sarcomi nei polli entro una o due settimane dall’infezione. La scoperta vale a Peyton Rous il Nobel per la Medicina nel 1966, ma apre anche le porte alla ricerca sugli oncogeni.

Si fa strada, infatti, l’ipotesi che RSV contenga una “informazione genetica” necessaria per indurre la trasformazione delle cellule ospiti. Il gene responsabile viene scoperto solo nei primi anni settanta da Peter Vogt e Steven Martin. I due scienziati avevano isolato alcuni mutanti di RSV ancora capaci di infettare e replicare nelle cellule ospiti, ma non di causare il tumore. L’analisi incrociata dei mutanti consente di identificare il gene src, presente in RSV ma non in altri virus correlati, come ad esempio ALV (avian leukosis virus), che infatti non causa il cancro.

Origine degli oncogeni virali

RSV è in buona compagnia: sono più di 40 gli oncovirus a RNA isolati dagli animali e tutti possiedono almeno uno o due oncogeni. Ma poiché nessuno è associato alla replicazione e al ciclo vitale del virus, la loro origine è rimasta a lungo misteriosa e quasi paradossale.

La svolta arriva nel 1974, quando alcuni scienziati, tra cui Harold Varmus e J. Michael Bishop, scoprono che il DNA di cellule sane di pollo contiene un gene molto simile a src. Gli oncogeni virali, dunque, non sono altro che geni della cellula ospite che il virus ha incorporato nel corso della sua storia evolutiva. Grazie alla scoperta di questo gene (chiamato c-Src), prima nei polli e poi anche nell’essere umano, si comincia a comprendere che le cellule abbiano geni normali, chiamati proto-oncogeni, che possono mutare e indurre la comparsa del cancro trasformandosi in oncogeni[2].

La scoperta degli oncosoppressori

Anche la scoperta dei geni oncosoppressori ha radici lontane, e precisamente negli esperimenti sulla fusione cellulare che risalgono agli anni sessanta del secolo scorso. Gli scienziati avevano osservato che quando due tipi di cellule vengono”coltivati” insieme, possono fondersi spontaneamente generando linee cellulari ibride. Numerosi esperimenti avevano dimostrato, inoltre, che se almeno una delle due cellule possiede un fenotipo tumorale, anche la cellula ibrida prodotta dalla fusione presenterà le stesse caratteristiche. Il fenotipo oncogenico, in altre parole, è dominante, in accordo con la definizione degli oncogeni che risale proprio a quegli anni[3].

Ma nel 1969, Henry Harris, professore di Medicina all’Università di Oxford, dimostra che la fusione tra cellule tumorali e cellule normali di topo genera ibridi normali, in contraddizione con gli esperimenti precedenti. Ma solo in apparenza, perché presto Harris si rende conto che dopo un certo numero di passaggi in coltura o negli animali da laboratorio, le cellule ibride manifestano (in ritardo) il fenotipo tumorale. Scopre anche che a questo comportamento cellulare è associata la perdita di specifiche regioni cromosomiche[3]. Così nasce la definizione di geni “oncosoppressori”, che si trovano proprio all’interno di queste regioni e proteggono la cellula dall’accumulo di mutazioni potenzialmente cancerose.

Ipotesi dei due colpi

Gli esperimenti di Harris sulla fusione cellulare ricapitolano esattamente quello che accade nell’organismo quando ci si ammala di retinoblastoma, un tumore della retina che colpisce circa 1 bambino su 85.000 tra 0 e 4 anni di età. Dallo studio di questo tumore è stato identificato RB, il primo gene oncosoppressore, che codifica per la proteina del retinoblastoma.

Il cammino che ha portato a definire il ruolo di RB inizia con la cosiddetta ipotesi dei due colpi (dall’inglese “two-hits hypothesis”). Secondo la teoria formulata dal medico americano Alfred Knudson nel 1971, affinché il retinoblastoma si manifesti due specifiche mutazioni devono essere presenti nella stessa cellula[4]. Nel retinoblastoma cosiddetto sporadico, che è il più raro, entrambe le mutazioni sono di origine somatica e la malattia si manifesta solo se tutte e due compaiono spontaneamente nella stessa cellula della retina.

La forma ereditaria è più comune. Il figlio di genitori affetti da retinoblastoma, infatti, ha una probabilità vicina al 100% di sviluppare la malattia poiché eredita già la prima mutazione, che sarà presente in tutte le cellule del suo corpo. In maniera simile a quanto aveva osservato Harris con le sue fusioni cellulari, inizialmente il fenotipo normale “vince”, ma è solo questione di tempo: per la legge dei grandi numeri, infatti, una seconda mutazione somatica ha buone probabilità di verificarsi per caso in almeno una delle oltre 4 milioni di cellule che compongono la retina.

Anche in questo caso, il fenotipo tumorale è associato a una delezione, un tipo di mutazione che consiste nella perdita di materiale genetico in una determinata regione cromosomica. Nelle persone affette da retinoblastoma questa regione è situata sul cromosoma 13. Grazie a sofisticate tecniche di biologia molecolare, i ricercatori hanno identificato proprio al suo interno RB, primo di una lunga serie di geni oncosoppressori[4].

Quali sono e come agiscono

Il gene oncosoppressore RB codifica per la proteina del retinoblastoma, che è disfunzionale in un grande numero di tumori oltre a quello di cui porta il nome: il suo ruolo, infatti, è quello di inibire la crescita cellulare. Se la sua funzione viene meno, le cellule iniziano a proliferare senza controllo. Un famoso oncogene invece è c-myc, che codifica per un fattore di trascrizione, ossia una proteina che a sua volta attiva l’espressione di numerosi altri geni coinvolti nella divisione cellulare. In altre parole, RB costituisce un freno alla proliferazione cellulare, c-myc invece è un acceleratore.

Le mutazioni che colpiscono oncogeni e oncosoppressori nella maggior parte dei tumori sono allora di due tipi: “gain of function” e “loss of function”, rispettivamente. Nel primo caso, la proteina acquista una funzione: la sua espressione o la sua attività aumentano. Nel secondo caso, la proteina perde una funzione: la sua attività diminuisce o addirittura scompare.

Oncogeni

I primi oncogeni furono scoperti nei retrovirus, ma risale al 1981 la conferma della loro presenza anche negli esseri umani. In particolare, grazie agli esperimenti condotti da Robert Weinberg, che dimostrarono che il DNA di un cancro umano della vescica fosse in grado di indurre la trasformazione tumorale di cellule di topo in coltura[2].

Il corrispettivo normale di un oncogene è detto proto-oncogene. Molti di questi geni controllano processi fisiologici cellulari, come la sopravvivenza, proliferazione e differenziazione delle cellule. Altri hanno un ruolo nell’angiogenesi e migrazione cellulare, che favoriscono la formazione di metastasi.

In generale, i proto-oncogeni possono essere:

  • fattori di crescita
  • recettori per fattori di crescita
  • proteine che controllano il ciclo cellulare
  • proteine che regolano la trascrizione di altri geni
  • proteine che trasmettono segnali intracellulari

Le mutazioni che colpiscono gli oncogeni portano spesso a una loro sovra-espressione (viene prodotta più proteina), amplificazione (si formano più copie di quel gene) o attivazione costitutiva (la proteina è sempre attiva, anche in assenza di stimoli). Sono mutazioni a carattere dominante: basta che uno solo dei due alleli sia mutato per conferire alla cellula il fenotipo tumorale. I recettori per fattori di crescita, ad esempio, quando mutano in oncogeni, acquistano la capacità di mandare segnali di proliferazione anche in assenza dello stimolo specifico.

I più comuni oncogeni sono ras, c-myc, alcuni recettori tirosin-chinasici come PDGF o erbB-2 e tirosin chinasi senza funzione recettoriale, come src e abl[2].

Oncosoppressori

Dopo RB, l’analisi di altri tipi di cancro familiare (tumore di Wilm, neurofibrimatosi, sindrome di von Hippel-Lindau e cancro al seno familiare) ha portato alla scoperta di numerosi altri geni con funzione simile. A partire da questi primi dati, i ricercatori hanno messo a punto una strategia per identificare gli oncosoppressori anche nei tumori non familiari[3]. Hanno dunque selezionato le regioni del genoma dei pazienti caratterizzate da una maggiore frequenza di delezioni nelle cellule tumorali, ma non in quelle sane, e incrociato le informazioni di molti pazienti non correlati per identificare le delezioni comuni. Con ogni probabilità, infatti, quelle regioni cromosomiche contenevano geni oncosoppressori.

Nel 1990 gli oncosoppressori avevano ormai guadagnato la stessa importanza degli oncogeni. Hanno la funzione opposta:

  • regolano il ciclo cellulare
  • inibiscono la proliferazione incontrollata
  • riparano il DNA danneggiato
  • favoriscono l’adesione cellulare
  • favoriscono la morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule danneggiate.

Le mutazioni a carico degli oncosoppressori portano a una perdita della loro funzione. L’espressione del gene viene ridotta o bloccata, oppure produce una proteina tronca, mutata o dalla forma sbagliata, che non è più in grado di adempiere alle sue funzioni. Si tratta di mutazioni a carattere recessivo: il fenotipo tumorale si manifesta solo se entrambi gli alleli sono mutati. Altrimenti, la copia “sana” continua ad assicurare la funzione antitumorale.

Tra i più citati in letteratura c’è il gene TP53, che codifica per la proteina p53, spesso descritto come il “guardiano del genoma”[4]. Si tratta di un fattore di trascrizione che regola il ciclo cellulare e interviene in molti meccanismi antitumorali. Il gene TP53 è mutato in oltre il 50% di tutti i casi di tumore. Altri esempi sono BCL2 (regolatore dell’apoptosi), SWI/SNF (regola l’espressione di altri geni), PTEN (impedisce la proliferazione incontrollata delle cellule), BRAF (regola il ciclo cellulare).

Bersagli terapeutici

Il cancro è dunque il prodotto di mutazioni “gain of function” e “loss of function” a carico di oncogeni e oncosoppressori. La conoscenza di questi geni è fondamentale per mettere a punto terapie antitumorali mirate.

Molti tumori, nonostante le numerose mutazioni genetiche, dipendono per il loro sostentamento e proliferazione unicamente da uno o pochi oncogeni. È un fenomeno noto come “dipendenza da oncogene” (dall’inglese “oncogene addiction”), che ha portato alla messa a punto di terapie mirate contro queste alterazioni genetico-molecolari[5].

La maggior parte dei farmaci esistenti sono infatti inibitori delle proteine oncogeniche. Tra i bersagli terapeutici, ad esempio, figurano i recettori tirosin chinasici, che in molti tumori mandano segnali di crescita e proliferazione incontrollata[6]. Gli inibitori di queste proteine a funzione recettoriale sono in genere piccole molecole, come Imatinib, Sunitinib e Gefitinib, oppure anticorpi monoclonali, come Trastuzumab e Cetuximab. Vengono usati nel trattamento di alcuni tumori ematologici o solidi, come il cancro al polmone e al seno e il carcinoma renale. Gli altri processi mediati dagli oncogeni che possono essere bersaglio di terapie sono l’angiogenesi o la resistenza ai farmaci[6].

Nel caso dei geni oncosoppressori, invece, la terapia consiste nel ripristino delle loro funzioni.

Le due strategie principali sono:

  • reintroduzione di una copia funzionale tramite la terapia genica;
  • sviluppo di piccole molecole che riattivano la funzione antitumorale.

Sono trattamenti tecnicamente complessi e ancora in fase di sperimentazione. Sia la terapia genica che le piccole molecole sono concettualmente in grado di ripristinare la funzione del gene oncosoppressore, agendo sia direttamente che indirettamente sugli altri geni e proteine che ne regolano l’espressione[7]. Ma la loro efficacia e sicurezza devono ancora essere validate dalla sperimentazione clinica.

Referenze

  1. Bister, K., 2015. Discovery of oncogenes: The advent of molecular cancer research.
  2. Cooper, GM., 2000. Oncogenes. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates.
  3. Lipstick, J., 2020. A history of cancer research: tumor suppressor genes. Cold Spring Harbor Laboratory Press.
  4. Cooper, GM., 2000. Tumor suppressor genes. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates.
  5. Weinstein, B. and Joe, A., 2008. Oncogene Addiction. Cancer research. 
  6. Morin, M.J., 2000. From oncogene to drug: development of small molecule tyrosine kinase inhibitors as anti-tumor and anti-angiogenic agents. Oncogene 19, 6574–6583

  7. Luc G. T. Morris,  and Timothy A. Chan, 2015. Therapeutic Targeting of Tumor Suppressor Genes. Cancer, 121(9): 1357–1368.
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