Biologia molecolare tumorale

Biologia molecolare del cancro

Oncogeni e oncorepressori

Il cancro va inteso come una malattia genetica. Il cancro è una malattia che ha la sua origine nelle mutazioni all’interno di un genoma o patrimonio genetico di una cellula. Coinvolge la mutazione di una serie di geni nella cellula, che intervengono nella replicazione e proliferazione cellulare. Ci sono delle cellule nel corpo come le cellule staminali, che devono proliferare e devono creare copie di sé stesse, per poi far differenziare queste copie in diversi tipi cellulari, che compongono l’organismo.

Nello sviluppo embrionale si parte sempre allo zigote o uovo fecondato, che è totipotente. Da esso ottengo tanti tipi cellulari diversi e tante masse cellulari diverse, nel senso che non otteniamo solo diversi tipi cellulari, ma anche quantità diverse dei diversi tipi cellulari. Ogni tanto all’interno di un tipo cellulare ci sono delle cellule che perdono il controllo e non svolgono più i meccanismi di armonizzazione con le altre cellule del tessuto di cui fanno parte.

Serve un controllo nelle divisioni cellulari e serve un controllo anche nella differenziazione cellulare. Queste cellule che proliferano, possono invadere anche altri tessuti e danneggiarli, portandoli a morte. A lungo andare sono visibili delle masse tumorali, che sono tumori, anche detti neoplasie. Non sono altro che delle masse formate da cellule che sono proliferate senza controllo.

Tipi di cancro

Il cancro è una malattia genetica che colpisce per lo più le cellule della linea somatica. Nell’organismo ci sono infatti le cellule della linea somatica, che costituiscono e formano i diversi tessuti del corpo, e cellule della linea germinale, che formano le cellule germinali, che sono gli spermatozoi e gli oociti necessari alla riproduzione. Il cancro è dovuto a mutazioni per lo più nelle cellule della linea somatica e non vengono trasmesse a generazioni successive. Ci sono anche delle mutazioni che possono predisporre l’individuo allo sviluppo di un tumore. Ci sono casi di tumori alle cellule germinali come i seminomi.

Stadi dello sviluppo del tumore

• Tumore benigno: sono degli ammassi di cellule che sono dati dalla proliferazione di cellule che non sono normali e hanno un tasso di proliferazione non normale. Nello stadio di tumore benigno, la massa cellulare rimane nel tessuto di origine e spesso rimane una massa cellulare proliferata nel tessuto di origine della cellula, che ha dato la proliferazione.
• Tumore maligno: lo sviluppo del tumore maligno, fa sì che avvengano dei cambiamenti nel comportamento delle cellule, che non rimangono nel tessuto di origine, ma iniziano a migrare e ad andare anche in altri tessuti formando le tristemente note: metastasi.

Le metastasi sono punti diversi nell’organismo dove migrano le cellule e attecchiscono a diversi tessuti da quello di provenienza. Ci sono due categorie di tumori che riguardano le cellule dei tessuti solidi (non sangue):

• Carcinomi: tumori dei tessuti epiteliali derivati dall’ectoderma o dall’endoderma.
• Sarcomi: riguardano cellule del tessuto connettivo o cellule muscolari di origine per lo più mesodermica.

Oltre ai tumori dei tessuti solidi, ci sono anche tumori che riguardano le cellule dei tessuti liquidi, cioè del sangue:

• Leucemie o linfomi: sono delle neoplasie che riguardano le cellule del sangue o della linea bianca, cioè i leucociti, le cellule nucleate del sangue.

Spesso vengono limitate nel tumore benigno le masse cellulari: esse vengono circondate da una capsula fibrosa, che mantiene la massa circoscritta in un tessuto specifico e in un punto circoscritto del tessuto. L’esistenza dei diversi stadi corrisponde a mutazioni che si accumulano nel genoma e che influenzano il comportamento delle cellule nelle diverse fasi. Le cellule, infatti, possono da benigne a maligne invasive. C’è quindi una iperproliferazione iniziale in cui le cellule sono ancora benigne; poi diventano cellule che invadono un tessuto e ne colonizzano altro e quindi diventano maligne.

Carcinogenesi

Il cancro è basato su cambiamenti del patrimonio genetico delle cellule e ci sono degli agenti che possono indurre il cancro. Il processo di carcinogenesi è correlato con dei mutageni e ci sono delle sostanze che possono dare delle mutazioni e causare quindi il tumore. Gli agenti carcinogeni sono:

• Carcinogeni chimici: in grado di modificare il DNA e provocare danni alle cellule che se non sono riparabili, possono sfociare in tumori.
• Carcinogeni fisici: come radiazioni ad alta energia o ionizzanti (raggi gamma o raggi X), che possono indurre una cellula a proliferare e a dare tumori.
• Microrganismi: agenti che possono provocare un tumore, come il papilloma virus.

Non basta una sola mutazione per trasformare le cellule da normali e controllate e cellule tumorali, poiché spesso servono un numero maggiore a 1 di mutazioni. Se guardassi l’incidenza dei tumori nell’essere umano al variare dell’età, vedrei che la probabilità di sviluppare un tumore aumenta con l’aumentare dell’età, in modo esponenziale. Col passare del tempo, ci sono infatti più mutazioni che si accumulano nel DNA e c’è una maggiore probabilità di sviluppare il tumore.

Il rischio a cui le cellule sono esposte per le mutazioni sono moltissime. Durante la vita, avvengono circa 10⁶ divisioni cellulari; soprattutto durante lo sviluppo c’è un’attiva proliferazione cellulare e nell’adulto c’è comunque proliferazione cellulare, perché ci sono tessuti che si rigenerano (come il sangue, l’epidermide ecc.). Le mutazioni spontanee sono circa 10^-6 per gene per divisione cellulare, cioè una ogni 10⁶ divisioni cellulari e sono quelli che sfuggono ai sistemi di controllo. C’è quindi anche una certa quota di mutazioni spontanee.

Durante la vita di un organismo ci sono 10¹⁰ occasioni e situazioni in cui un gene può subire delle mutazioni. Il genoma umano è sottoposto a un continuo rischio di mutazioni, che possono verificarsi e dare il tumore.

Multi hit

La genesi del cancro e dei tumori prevede più passaggi e si parla di multi hit. Questi multi hit sta a significare che servono più mutazioni al genoma per avere lo sviluppo di un tumore e la formazione del cancro. Il tumore per le cellule di molti tessuti si origina da una cellula staminale, che si autorinnova.

La cellula staminale si divide e dà due cellule figlie, di cui una rimane una cellula staminale (e quindi si autorinnova) e l’altra cellula dà la differenziazione e origina dei progenitori, con la capacità di differenziamento più limitato, rispetto alle cellule staminali di partenza. Il progenitore può dare diversi tipi di cellule, ma non tutti i tipi di cellule che era in grado di dare la cellula staminale.

Le cellule che derivano da quella progenitrice si specializzano e si differenziano sempre di più, fino alla cellula terminale differenziata e specializzata, che non si divide più e ha dei compiti ben precisi. Le cellule staminali si dividono con ritmi costanti. La cellula staminale emopoietica nel midollo osseo origina le cellule del sangue: eritrociti e leucociti. La cellula staminale si autorinnova e nella vita si possono formare tutte le cellule del sangue, quindi la cellula staminale si divide dando dei progenitori. Un progenitore è quello per gli eritrociti e dà diversi stadi di differenziamento in cui nell’ultimo stadio si ha la perdita del nucleo e si ottiene una cellula terminalmente differenziata e molto specializzata, senza nucleo, che lega l’ossigeno e contiene emoglobina.

Origine del cancro

Il cancro insorge nelle cellule che ancora proliferano ma non nelle cellule terminalmente differenziate. Le cellule nervose e i globuli rossi quando sono terminalmente differenziati, non si dividono più e quindi non sono o non originano tumori. I tumori avvengono infatti in quelle cellule che sono o staminali o progenitrici o che, comunque, si dividono ancora. È proprio qui che avviene il cambiamento: non c’è più il differenziamento terminale, ma le cellule rimangono non differenziate e non specializzate, in uno stadio detto blasto. Il blasto è la cellula non differenziata (neuroblasto, emoblasto). I tumori sono formati da una massa di cellule non differenziate, che hanno caratteristiche del tessuto di origine, ma non hanno tutte le caratteristiche delle cellule terminalmente differenziate (che non si moltiplicano più).

Geni che causano il cancro

Sono stati identificati e sono dovuti a mutazioni che avvengono a carico di questi geni. Ci sono vari approcci per identificare gli oncogeni che possono dare il cancro e i carcinomi. Un esperimento col quale sono stati identificati molti geni oncogeni è il seguente:

È stato preso del DNA umano, estratto da cellule tumorali. Se nelle cellule ci sono delle mutazioni e ci sono dei geni modificati e li metto in una cellula normale, questa può essere trasformata in una cellula tumorale. È preso del DNA da cellule tumorali che spesso sono cloni cellulari; formano cioè una massa in cui le cellule sono uguali. Prendo il DNA da cellule tumorali e lo frammento inserisco questo DNA frammentato in cellule normali con un processo di trasformazione; si fa penetrare il DNA all’interno delle cellule di mammifero in coltura e il DNA di inserisce in queste.

Le cellule che ricevono il DNA sono delle cellule normali e sane. Sono cellule che crescono in coltura, ma non si usano cellule normali umane, ma di topo, perché devo distinguere alla fine il DNA umano inserito nelle cellule, dal DNA della cellula che riceve il DNA (cellula di topo in questo caso). Come cellule accettrice sono stati usati fibroblasti di topo detto 3T3, che sono cellule del tessuto connettivo di topo che possono crescere in coltura.

Le cellule fibroblasti crescono in un terreno liquido e crescono aderenti al fondo della piastra, quindi le cellule del tessuto connettivale tendono ad attecchire ad una superficie solida, che per rendere l’adesione più efficiente è stata trattata con collagene. Le cellule fibroblasti del topo formano nella piastra un unico strato cellulare. Se ha quindi uno strato unico di cellule fibroblasti, se semino le cellule in coltura, esse si moltiplicano nella piastra e occupano tutto lo spazio e formano uno strato unico di cellule.

Le cellule poi smettono di crescere per inibizione da contatto: quando le cellule avranno occupato tutto lo spazio hanno un contatto con le cellule vicine, che mandano dei segnali interiormente alle cellule, le quali fanno smettere la proliferazione delle cellule. Le cellule normali smettono di crescere. Sono cellule normali ogni fibroblasto usato, ma non completamente normali, perché se prendo una cellula di tessuto umano e la metto in coltura, crescono per un certo periodo e danno una coltura primaria, ma queste cellule, essendo cellule normali, prese da un individuo, dopo un certo tempo, vanno incontro a senescenza e invecchiano e quindi la coltura, se fosse fatta da cellule umane, dopo una o due settimane finisce.

Nelle cellule 3T3 sono fatte una o più mutazioni perché le cellule (che andranno a formare la linea cellulare) sono immortalizzate e possono crescere in coltura all’infinito. Le cellule 3T3 possono crescere sempre e hanno caratteristiche in parte simili alle cellule normali e in parte simili alle cellule tumorali. Le cellule 3T3 hanno una mutazione in p16, che è un inibitore dei complessi ciclina-Cdk. Se metto del DNA umano frammentato in queste cellule, (DNA che contiene delle mutazioni che causano il cancro), si possono formare delle masse tumorali dette foci.

Le cellule 3T3 normali, solitamente formano un polo striato nella piastra; ad un certo punto ci sono piccole masse a più strati in zone della piastra a proliferazione alta. Si pensa che le cellule che formano le masse a più strati siano le cellule in cui è entrato un gene umano di quelli inseriti, che ha provocato la formazione di un tumore. Quindi non si verifica più in queste zone l’inibizione da contatto. È stato poi preso il DNA da queste cellule delle masse ed è stato identificato all'interno delle cellule del topo tutto il DNA. Si è identificato nelle cellule il frammento di DNA umano, che è stato inserito nel genoma di topo (perché si pensa che sia quel gene a provocare la trasformazione delle cellule di topo che non risentono della inibizione).