Six characteristics of metastatic (malignant) tumor cells Benign tumor cells are not metastatic. Necessary for continued proliferation. Blood supply necessary for the tumor to grow and spread. Intravasation and extravasation. Necessary for continued proliferation. Requires protease activity to penetrate basement membranes and the extracellular matrix. Otherwise the tumor cells will die, Otherwise the tumor will not grow. 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 Mantenimento del genoma e riparazione del DNA Fattori genetici (MMR) Quali cambiamenti sono necessari perché si ottenga una cellula cancerosa? •In una singola cellula si debbono accumulare mutazioni in numerosi geni. •Di solito si verificano mutazioni geniche sia in oncogeni che in oncosoppressori. •Sono solitamente necessari molti anni perché si verifichino queste mutazioni. • “Gatekeepers”: perdita ereditaria o sporadica di un gene oncosoppressore -- p53, pRb, p16, NF-1, APC, etc. • “Caretakers”: suscettibilità ereditaria a tumori; elevato tasso di mutazioni dovuta a defetti nel meccanismo di riparazione del DNA {HNPCC (hMSH2, hMLH1), A-T (ATM), breast Ca (BRCA1/2)}; • Anomalie del meccanismo di controllo della Mitosi: instabilità cromosomica (hBUB1, hMAD1, etc.) Oncogeni (i precursori sono chiamati anche Proto-oncogeni) • Controllo della divisione cellullare (stimolatori) • Le mutazioni comportano un “guadagno di funzione” • Fattori di crescita o recettori (ras, erb, src) • Fattori di trascrizione (myc, jun, fox) • Fenotipo dominante • Sono attivati nelle cellule somatiche di numerosi tumori (carcinoma, sarcoma, leucemia, limfoma). • La maggior parte codificano per proteine coinvolte nella via metabolica “fattore di crescita-recettore-risposta” di stimoli per la crescita cellulare che vanno dalla superficie cellulare al nucleo e culminano nella sintesi di DNA e nella trascrizione di specifici geni. 9 L’attivazione di un proto-oncogene può essere quantitativa e/o qualitativa 9 Quasi sempre sono mutazioni somatiche (quelle germinali sono per lo più letali) 9 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 Geni chimerici prodotti da riarrangiamenti cromosomici specifici di alcuni tumori DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL CROMOSOMA PHILADELPHIA LINFOMA DI BURKITT DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL Geni Oncosoppressori Descritti da Knudson nel retinoblastoma “Two-hit hypothesis” Le mutazioni comportano una perdita di funzione Fenotipo recessivo Entrambe le copie del gene debbono essere mutate perché si abbia un effetto sulla divisione cellulare Effetto negativo sulla regolazione della divisione cellullare Possono interagire con proto-oncogeni - RB, APC, DCC, p53 Geni Oncosoppressori • spesso sono già presenti come mutazioni germinali • 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 Geni Oncosoppressori implicati in Tumori Ereditari (I) APC FAP (Familial Adenomatous Polyposis) VHL Syndrome di Von Hippel-Lindau WT1 Tumore di Wilms Ereditario RB1 Retinoblastoma Ereditario NF1 Neurofibromatosi 1 NF2 Neurofibromatosi 2 Geni Oncosoppressori implicati in Tumori Ereditari (II) P53 Sindrome di Li Fraumeni P16/CDK4 Melanoma Ereditario PTCH Nevoid Basal Cell carcinoma syndrome MEN1 MEN (Multiple Endocrine Neoplasia) tipo 1 BRCA1 Carcinoma Ereditario Mammella/Ovaio BRCA2 Carcinoma Ereditario Mammella/Ovaio L’ipotesi dei due colpi nei Tumori Ereditari Negli individui che 2° colpo ereditano una mutazione in un gene oncosoppressore, il 1° colpo viene ereditato come mutazione germinale e il 2° colpo si verifica in una cellula somatica CANCRO Geni di Risposta al danno del DNA • Riparano i danni al DNA • Il cancro è causato da mutazioni inattivanti in entrambi gli alleli (considerati un sottogruppo di Geni Oncosoppressori) • La perdita della loro funzione determina l’accumulo di mutazioni in altri geni cruciali Geni di Risposta al danno del DNA implicati in Tumori Ereditari hMSH2 Carcinoma Colorettale senza poliposi hMLH1 Carcinoma Colorettale senza poliposi hPMS1 Carcinoma Colorettale senza poliposi hPMS2 Carcinoma Colorettale senza poliposi ATM Atassia-Teleangiectasia XPA,C,D,F Xeroderma Pigmentosum BLM Bloom Syndrome Gatekeepers and Caretakers Caretaker pathway G S S S S S G S S S S S CANCER Gatekeeper pathway HNPCC, BRCA APC, p53, NF-1, Rb Types of RNA Expert Rev. Mol. Diagn. 2007, 7(5) 569-603 Expert Rev. Mol. Diagn. 2007, 7(5) 569-603 Expert Rev. Mol. Diagn. 2007, 7(5) 569-603 Lung cancer RAS and let-7 miRNA NEJM 2005. 325;23 Cell 2005;120:635-647 Block let-7 with siRNA Lung ca, mi155 and let-7 Cancer cell 2006,9;189-98 Lung adenoca Cancer cell 2006,9;189-98 Prostate cancer and miRNA deregulation Oncogene 2007. 1-6 miR125b target EIF4BP1 Breast cancer and microRNA10b Nature 2007. 449; 682-89 MAtrigel invasion assay Nature 2007. 449;682-89 Lung mets Nature 2007. 449;682-89 P53 and miRNA Nature 2007, 7;819-22 Nature 2007, 447;1130-4 Epigenetics and miRNA CpG island Nat Rev Genet 2006, 3:415-28 Ped Res 2007, 61;24R-29R Ped Res 2007, 61;24R-29R Normal prostate/bladder tissue, miR-127 is highly expressed, but downregulated or silenced in the corresponding tumors. Cancer Cell 2006, 9;435-43 Fig. 1. Correlation between FRAs and miRs 61 miRNAs are located at FRAs Suggests: miRNAs are playing important roles that may be messed up in cancer What else is messed up in cancer? Proto-oncogenes Tumor suppressor genes Common site of HPV integration Calin, George Adrian et al. (2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 2999-3004 Take home messages • miRNAs are everywhere (even though we’ve only started looking recently) • miRNAs often act by repressing target mRNAs from being translated into proteins • miRNA expression is different in normal vs cancerous cells • miRNAs are expressed in FRAs • miRNAs can behave like: – Proto-oncogenes – Tumor suppressor genes – Components of important regulatory pathways What makes a stem cell a stem cell? Stem cell 1. Self-renewal - when a stem cell divides, each daughter cell can either retain its stem cell identity, or can become a progenitor. Stem cells appear to retain capacity for limitless division. 2. Multipotency - progenitors (also called transit amplifying cells) have limited proliferative capacity and are committed to terminally differentiate into multiple lineages (multipotent). Often have high proliferative rates in the short term, whereas most stem cells divide rarely. Progenitor cell A B C Different cell types… D Development of Hematopoietic Stem Cells Stem Cells Multipotent Progenitors Oligolineage Progenitors Mature Cells Reya et al. 2001 Nature 414:105-111 The anatomy of the small intestinal epithelium The epithelium is shaped into crypts and villi (left). The lineage scheme (right) depicts the stem cell, the transit-amplifying cells, and the two differentiated branches. The right branch constitutes the enterocyte lineage; the left is the secretory lineage. Relative positions along the crypt-villus axis correspond to the schematic graph of the crypt in the center. F. Radtke et al., Science 307, 1904 -1909 (2005) Adult intestinal homeostasis Schematic representation and section of the crypt-villus unit in the mature small intestine. Proliferative cells reside in the crypts, while differentiated cells occupy the villus. Crypt progenitors migrate up (red arrow) the crypt-villus axis before shedding into the lumen. The process of epithelial renewal takes 3-6 d and is ensured by a small number of asymmetrically dividing stem cells at the bottom of the crypts. Wnt signaling in the adult intestine promotes proliferation of progenitor or transit-amplifying (TA) cells, as well as commitment toward secretory lineages. Wnt signaling may also drive terminal differentiation of certain secretory lineages. Although it is commonly believed that Wnt signaling may promote proliferation and/or differentiation of intestinal stem cells, there is no evidence that formally proves this (see arrows with question marks). In panel A, black arrowheads indicate Ki67 positive transitamplifying cells, while white arrowheads indicate the Paneth cell compartment. Alex Gregorieff et al. Genes Dev. 2005; 19: 877-890 Pathways involved in self-renewal that are deregulated in cancer cells Wnt, Shh, and Notch pathways have been shown to contribute to the self-renewal of stem cells and/or progenitors in a variety of organs, including the haematopoietic and nervous systems. When dysregulated, these pathways can contribute to oncogenesis. Mutations of these pathways have been associated with a number of human tumours, including colon carcinoma and epidermal tumours (Wnt), medulloblastoma and basal cell carcinoma (Shh), and T-cell leukaemias (Notch). Normal stem cells Rare cells within organs with the ability to selfrenew and give rise to all types of cells within the organ to drive organogenesis Cancer stem cells Rare cells within tumors with the ability to selfrenew and give rise to the phenotypically diverse tumor cell population to drive tumorigenesis Properties shared by normal stem cells and cancer stem cells • Assymetric Division: – Self renewal • Tissue-specific normal stem cells must self-renew throughout the lifetime of the animal to maintain specific organs • Cancer stem cells undergo self-renewal to maintain tumor growth – Differentiation into phenotypically diverse mature cell types • Give rise to a heterogeneous population of cells that compose the organ or the tumor but lack the ability for unlimited proliferation (hierarchical arrangement of cells) • Regulated by similar pathways – Pathways that regulate self-renewal in normal stem cells are dys-regulated in cancer stem cells Which cells in the hierarchy are cancer stem cells? Hematopoietic and Progenitor Cell Lines Passegue, Emmanuelle et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 11842-11849 Hematopoietic Cancer Stem Cells Acute myeloid leukemia (AML) – CD34+ CD38- Leukaemic Mouse Models: chronic myelomonocytic leukaemia (CMML) acute myeloid leukaemia (AML) chronic myeloid leukaemia (CML)/Blast acute promyelocytic leukaemia (APML)77 MRP8-BCL-2 MRP8-BCL2Xlpr/lpr MRP8-PML-RARα MRP8-BCRablXBCL-2 Stem Cells in the Nervous System Metastasis • Process by which a tumor cell leaves the primary tumor, travel to a distant site via the circulatory system and then establishes a secondary tumor. • Final and most devastating step of a malignancy • Leading cause of death in cancer patients – Before mets tumors may be cured by surgery Summary: The Metastatic Process Metastasis is a multi-step process Metastatic cell = “Decathlon champion” • Vascularization of primary tumor – Tumor grows through the synthesis and secretion of proangiogenic factors by the tumor and surrounding stroma • Invasion of the organ stroma through enhanced expression of enzymes (MMP9) • Invasion of the lymphatic or vascular channels (may grow in these places) • Tumors cells enter circulation – Must survive turbulence of circulation and evade both immune and non-immune mechanisms • Cells arrest in the capillary beds of distant organs • Extravasation into distant organ • Survival and proliferation in target organ – Depends on multiple interactions (“cross-talk”) between tumor cell and organ microenvironment Metastatic Cancer Cells = Migratory Cancer Stem Cells Genetic determinants for metastasis to the bone Fattori che influenzano la penetranza Geni modificatori Risposta al danno del DNA Carcinogeni Fattori ormonali/riproduttivi Non tutti i portatori di un gene alterato sviluppano il cancro Cancer Causes 2% 10% 33% Radiation Tobacco Diet UVA/B Chemicals products Industry Unknown Pollution Virus Peto, 1981 Heredity Sexual factors Alcool 4% 7% 1% 30% 2% 5% 4% 1% 1% Tumori rari familiari: DA: GENETICA UMANA MOLECOLARE STRACHAN T. ET AL Caratteristiche dei Tumori Ereditari 9 Casi multipli nella famiglia 9 Più generazioni colpite 9 Associazione di specifici tipi di cancro ¾Nella stessa famiglia ¾Nello stesso individuo 9 Esordio ad un’età più giovane rispetto ai tumori sporadici 9 Caratteristiche tipiche di sindromi specifiche INSTABILITA GENICA/FAMILIARITA’ 9 I tumori si possono suddividere in sporadici e familiari 9 Il 5% dei casi di tumore ha base familiare 9 L’eredità tumorale è su base multifattoriale 9 Eredità tumorale significa predisposizione allo sviluppo 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 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. 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 L’ipotesi di una predisposizione su base poligenica da sola non è sufficiente per spiegare i dati di trasmissibilità genetica del cancro al seno DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244 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 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 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. DA: NATURE GENETICS SUPPLEMENT 2003, 33:238-244 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 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 Fattori di rischio per i tumori della mammella Geografia Età Familiarità Nord America Nord Europa Fattori riproduttivi Gravidanza Menarca Menopausa Obesità Elevato consumo di grassi CANCRO AL SENO 9 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 9 La maggior parte sono casi sporadici originati da mutazioni multiple a bassa penetranza in un ampio gruppo di geni (es.p53, PTEN,..) 9 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% BRCA1 and BRCA2 genes BRCA2 BRCA1 BRCA1 E BRCA2 9 Sono note centinaia di mutazioni a carico dei due geni, sia nonsense sia frame-shift, che danno proteine tronche; frequentemente il tipo di mutazione è specifico per famiglia/gruppo etnico 9 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 GENETIC COUNSELLING DA: CANCER TREATMENT REVIEWS 2001, 27:295-304 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. Geni BRCA e Carcinoma Mammario Sporadico Ereditario BrCa2 Altri BrCa1 Familiare 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 9 Non sono stati ancora identificati geni che conferiscano da soli un’aumentata suscettibilità al cancro all’ovaio 9 Famiglie con almeno 4 casi di cancro all’ovaio: per 2/3 mutazioni in BRCA1/2 9 Famiglie con 2 casi di cancro all’ovaio: per 1/5 mutazioni in BRCA1/2 9 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) 9 Il “genetici counselling” è consigliato solo in casi di forte familiarità per il cancro al seno 0VARIAN CANCER In che proporzione i tumori della mammella e dell’ovaio sono ereditari? Carcinoma mammario Carcinoma ovarico 15–20% 5–10% 5–10% Sporadico Raggruppamenti familiari Ereditari Caratteristiche del CM ereditario 9 Casi multipli di CM/CO nella famiglia 9 Diagnosi sia di CM che di CO ¾Nella stessa famiglia ¾Nella stessa donna 9Giovane età alla diagnosi di CM 9CM bilaterale 9CM maschile 9 Maggior frequenza negli Ebrei Ashkenazi CANCRO AL POLMONE E’ un tumore ad origine multigenica DA:ONCOGENE 2002, 21:7421-7434 9 Particolarmente interessanti sono i geni p53 e FHIT: entrambi presentano anomalie nel tumore al polmone strettamente correlate con lo sviliuppo dell’iperplasia 9 Trascritti anomali di FHIT si riscontrano nel 80% dei casi di SCLC (Small Cell Lung Cancer) e 42% di NSCLC (NonSmall Cell Lung Cancer) 9 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) DA: EUR.J.CANCER 2001, 37 SUPPL:S63-73 CANCRO AL COLON 9 Circa il 5% delle persone è destinato a sviluppare cancro al colon-retto 9 Sono descritti tre diversi tipi: • sporadico: circa il 70% dei casi • ereditario: circa il 10% dei casi • familiare: circa il 25% dei casi DA: ANN INTERN MED 2002, 137:603-612 MODELLO DI VOGELSTEIN PER LO SVILUPPO DEL CARCINOMA COLONRETTALE Il Tumore è una malattia genetica Il sillogismo aristotelico nell’era del DNA Socrate è un uomo. Gli uomini sono mortali. Socrate è mortale. Socrate è mortale. Il maiale è mortale. Socrate è un maiale. Il tumore è una malattia genetica. Le malattie ereditarie sono malattie genetiche. Il tumore è una malattia ereditaria. Il Tumore è sempre genetico Talvolta il tumore è ereditario Cellula germinale Tumore Sporadico Tumore Ereditario Cellula Germinale Tutte le cellule dell’organismo sono portatrici della mutazione Aumento del rischio di cancro Goal: Classification Assessment Risk Classification Average Family Hx Moderate (“Familial”) High/Genetic Intervention Standard prevention recommendations Personalized prevention recommendations Referral for genetic evaluation with personalized prevention recommendations