Biologia 16 – Apoptosi ed oncogenesi
Apoptosi
L’apoptosi è un processo di morte cellulare programmata. È completamente diverso dalle altre forme di morte cellulare per l’ordine e la precisione con cui si verifica. Rappresenta il più efficace meccanismo sviluppato dall’organismo per impedire le trasformazioni tumorali e il diffondersi degli errori genetici.
Può avere sia cause fisiologiche (distruzione dei tessuti in eccesso nello sviluppo embrionale, atrofia di tessuti per carenza ormonale, selezione dei linfociti durante la loro maturazione) che patologiche (danno al DNA, accumulo di proteine mal ripiegate, virus).
I cambiamenti morfologici e biochimici che si osservano in una cellula che va incontro ad apoptosi sono:
Riduzione del volume cellulare
Cromatina condensata
Dispersione del citoplasma in bolle chiamate corpi apoptotici
Fagocitosi dei detriti cellulari senza infiammazione.
Riduzione del DNA in frammenti di 200 bp.
Flip verso l’esterno dei lipidi di membrana che richiamano i fagociti ( come la fosfatidilserina).
Il macchinario dell’apoptosi è regolato dagli enzimi caspasi (c = cistein proteasi, aspasi = tagliano le proteine a livello dei residui di acido aspartico). Esse sono normalmente presenti nella cellula, ma in una forma inattiva.
Quando gli stimoli apoptotici aumentano, alle caspasi viene tolto un frammento, chiamato dominio inibitore, e si attivano generando gli eventi dell’apoptosi. Il taglio della regione inibitoria può essere chiamato anche clivaggio.
Due sono i meccanismi di avvio dell’apoptosi:
Via intrinseca e via del danno (mitocondriale): l’evento scatenante è la mancanza di fattori di crescita o attivazione dei sensori di danno (ATM).
Normalmente sulla membrana mitocondriale sono presenti due proteine chiamate BAX e BAD che formano un canale. Questo canale di base è chiuso dalla proteina Bcl-2.
Finchè sono presenti fattori di crescita la molecola Bcl-2 viene prodotta, ma quando i fattori mancano, essa viene degradata e il canale formato da BAX e
BAD si apre. In caso di danno al DNA invece, viene aumentata la sintesi di BAX e BAD (è una via derivante da p53) e i canali che così si formano sono in eccesso rispetto
alle molecole Bcl-2. Quindi quale che sia la causa che avvia la via intrinseca, l’effetto principale è quello di causare la porazione della membrana mitocondriale esterna. Questo causa la fuoriuscita del citocromo c nel citoplasma. Il citocromo c lega una molecola chiamata APAF, attivandola. Alcuni APAF attivati legano in gruppo la pro-caspasi 9 e ne effettuano il clivaggio. Si forma così la caspasi 9 attiva che innesca la fase effettrice dell’apoptosi.
Via estrinseca (recettori TNF): è il metodo con cui i linfociti T inducono la morte nelle cellule bersaglio. Essi espongono sulla loro membrana la
sulle cellule bersaglio. Il recettore Fas ha una porzione intracitoplasmatica chiamata dominio di morte. Questa lega l’adattatore molecolare FADD che a sua volta lega la pro-caspasi 8, clivandola e attivandola. Si forma così la caspasi 8 attiva che innesca la fase effettrice dell’apoptosi.
La via intrinseca e la via estrinseca convergono verso un’unica fase effettrice. Quindi i meccanismi che portano alla morte cellulare sono gli stessi, ciò che cambia è solo il modo di avviarli. Nella fase effettrice, le caspasi 8 o 9 (a seconda della via di inizio dell’aopotosi) attivano le caspasi effettrici 3 e 6. Queste a loro volta attivano numerosi enzimi litici tra cui:
La CA-DNAsi che taglia il DNA in frammenti di 180 bp.
Numerose proteasi che distruggono le componenti proteiche delle cellule.
Le flippasi che ribaltano sul lato esterno della membrana i lipidi che richiamano fagociti.
Complessi enzimatici che frammentano in vescicole il nucleo (cariolisi) e il citoplasma (formando gli apoptosomi).
Malattie neoplastiche
La neoplasia è una massa abnorme di tessuto la cui crescita è scoordinata e indipendente dai fattori di crescita. Sinonimi di neoplasia sono i termini “tumore” (volto però più ad indicare condizioni benigne) e
“cancro” (usato nel liguaggio colloquiale per indicare condizioni maligne).
La nomenclatura delle neoplasie prevede la distinzione in tumori benigni (suffisso in – oma), termine con cui si indicano le neoplasie a crescita lenta, e tumori maligni (carcinoma se di origine epiteliale, sarcoma se di origine connettivale), con cui si indicano le neoplasie a crescita rapida ed associate ad una prognosi molto negativa.
Le principali caratteristiche delle masse neoplastiche sono:
Differenziazione e anaplasia: esistono tumori benigni ben differenziati (il cui aspetto è molto simile al tessuto di origine, di solito sono benigni) e tumori maligni che variano da molto differenziati a poco differenziati. Il fenomeno della scarsa differenziazione si chiama anaplasia e consiste nella presenza di cellule tumorali molto simili alle staminali del tessuto di origine. L’anaplasia non è una regressione, ma un non differenziamento delle staminali. Caratteristiche morfologiche dell’anaplasia sono:
o Pleomorfismo (diversa forma e grandezza).
o Anomalie nucleari (nucleo ipercromatico, grande, molti nucleoli).
o Mitosi (aumento in frequenza, fusi anomali)
o Perdita di polarità
o Altre alterazioni (cellule giganti, necrosi ischemica)
Tasso di crescita: la velocità di crescita di una neoplasia dipende da:
o Tempo di raddoppiamento: è il tempo che la cellula tumorale impiega per compiere un ciclo cellulare. La fase M dura quanto quella delle cellule normali, ma l’intervallo tra mitosi è brevissimo.
o Frazione di crescita: è la porzione di cellule tumorali che si replica ad alta velocità. Diminuisce andando verso la fase clinica (cioè quando il tumore arriva ad essere grande 1-2 mm), in cui non supera mai il 20%. La frazione di crescita è il bersaglio delle terapie antitumorali.
o Rapporto tra nuove cellule e cellule perse.
Metastasi: tipiche delle neoplasie maligne. Si tratta di cellule tumorali che si staccano dalla neoplasia primitiva e formano un nuovo nodulo tumorale a distanza. La loro frequenza è correlata alla velocità di crescita. I metodi di sono diffusione:
o Disseminazione sulle superfici libere: neoplasie che sconfinano in campo aperto e perdono delle cellule che infestano la superficie libera (peritoneo).
o Disseminazione linfatica: tipica dei carcinomi, le cellule neoplastiche usano i vasi linfatici per migrare e spesso finiscono nei linfonodi dove danno il via ad una forte risposta infiammatoria.
o Disseminazione ematica: tipica dei sarcomi, le cellule neoplastiche invadono le venule e da qui diffondono ai principali organi di raccoglimento del sangue venoso (fegato e polmoni).
Oncogenesi
L’oncogenesi è il fenomeno mediante cui una cellula sana si trasforma in una cellula tumorale. Molti sono i fenomeni che inducono la trasformazione neoplastica.
Oncogeni
Sono la versione mutata di geni normalmente presenti nella cellula: i proto-oncogeni. In questa categoria rientrano tutti i geni che producono proteine necessarie per la mitosi. Quando un proto-oncogene muta, il suo prodotto in eccesso spinge la cellula a riprodursi in modo continuativo, permettendo l’insorgenza della neoplasia. Sono oncogeni:
Fattori di crescita: se una cellula presenta una mutazione nel gene che produce un fattore di crescita, questa inizierà a secernere grandi quantità del fattore, causando un’iperproliferazione incontrollata.
È inteso che il fattore iperprodotto deve essere specifico per la cellula stessa. Tra i fattori di crescita più comuni:
o EGF: che stimola la crescita delle cellule epiteliali.
o HGF: che stimola la crescita in particolare degli epatociti. Permette al fegato di rigenerarsi in 3 settimane in caso di danno o
asportazione.
o VEGF: richiama le cellule endoteliali perchè formino nuovi vasi.
o FGF: agisce in modo particolare sui fibroblasti.
o TGFβ: è un fattore pleiotropo.
Blocca la crescita epiteliale, ma favorisce molto la crescita connettivale (fibrosi).
Recettori dei fattori di crescita: la mutazione in un recettore dei fattori di crescita ha più o meno lo stesso effetto di un’iperproduzione del fattore stesso. Spesso infatti il recettore mutato agisce come se fosse sempre stimolato dal fattore di crescita. I 3 tipi di recettori di fattori influenzanti la crescita sono:
o Recettori ad attività tirosin-chinasica intrinseca: quando legano il fattore dimerizzano, dopodichè trasducono in tre possibili modi:
Utilizzando RAS che avvia la via delle MAP chinasi. Questa via porta la cellula a
Attivando l’enzima fosfolipasi C (PLC) che scinde alcuni lipidi di membrana che inducono un aumento del calcio intracellulare e l’attivazione dell’enzima multifunzionale fosfolipasi C. Questa via porta la cellula a fare dei cambiamenti nel suo metabolismo.
Attivando fosfatidil-inositolo-chinasi (PI3K) che porta alla produzione dell’anti apoptotico Bcl-2. Questa via allontana la cellula dall’apoptosi.
o Recettori associati a JAK-STAT: legano le citochine e richiamano una chinasi dedicata (JAK) che lega il recettore da un lato e un fattore si trascrizione (STAT) dall’altro, dopodichè fosforila il fattore di trascrizione che migra nel nucleo e lega il DNA avviando la trascrizione di alcuni geni. Questa via induce le cellule ad azioni ben precise, come la sintesi di anticorpi o l’attivazione del citoscheletro.
o Recettori associati a proteine G: tipici degli ormoni. Sono molecole simili a RAS, che quando entrano in contatto col ligando scambiano GDP e GTP attivandosi. Trasducono attraverso due vie:
Attivando la fosfolipasi C (PLC), proprio come i recettori tirosin chinasici.
Attivando l’adenilato ciclasi, un enzima che trasforma l’ATP in AMP ciclico, il quale fa da secondo messaggero ed attiva la protein chinasi A (PKA). Questa via porta la cellula a modificazioni del metabolismo o alla replicazione.
Proteine trasduttrici: una loro mutazione può causare un effetto simile alla mutazione dei recettori.
La proteina trasduttrice mutata più frquentemente è RAS (15-20% dei tumori). Il RAS mutato non si inattiva mai, spingendo sempre la cellula verso la mitosi.
Chinasi non recettoriali: fanno parte di questa classe tutte quelle proteine che quando vanno fuori controllo inducono un’iperproliferazione cellulare. Un esempio è c-myc, un fattore di trascrizione che nella sua versione mutata non si slega dal DNA, causando una continua trascrizione di geni per la replicazione (Cdk e cicline). Un altro esempio è rappresentato dalle cicline: se vengono prodotte in modo anomalo, inducono la cellula a restare sempre nel ciclo cellulare.
Oncosoppressori
Sono geni fatti per opporsi agli oncogeni. Tuttavia quando una mutazione li inattiva, il tumore prende piede con facilità. Sono oncosoppressori tutte quelle proteine che impediscono alla cellula di dividersi se non sono soddisfatte le condizioni dei checkpoint. I più comuni sono:
pRB: il cui effetto fisiologico è impedire la trascrizione della ciclina E se il DNA non è integro.
Mutazioni che la inattivano portano le cellule a riprodursi con più frequenza e senza curarsi delle mutazioni genetiche. Tali mutazioni sono correlate con il retinoblastoma e l’osteosarcoma.
p53: normalmente agisce se è present un danno nel DNA. Blocca il ciclo cellulare e avvia la riparazione del DNA. Se ciò non avviene manda la cellula in apoptosi. Il suo ruolo è centrale nell’oncosoppressione. Infatti mutazioni di p53 si riscontrano nel 50% dei tumori. In alcuni soggetti, p53 è mutato già alla nascita comportando un elevatissimo rischio di sviluppo di neoplasie (sindrome di Li-Fraumeni).
Sistema APC/βcatenina:
APC è un complesso enzimatico che degrada la molecola di adesione βcatenina se questa si stacca dalla membrana e va nel citoplasma. La βcatenina è fortemente mitogena. Mutazioni di questo sistema di controllo della
βcatenina sono molto comuni nei tumori del colon (poliposi adenomatosa familiare).
TGFβ: normalmente blocca la mitosi aumentando la sintesi di p21 e favorendo il distacco di c-myc dal DNA. Mutazioni che lo inattivano sono riscontrabili quasi nel 100% dei tumori pancreatici.
PTEN: normalmente blocca la via di trasduzione della fosfatidil inositolo chinasi impedendo la produzione dell’antiapoptotico Bcl-2. Una sua mutazione inattivante è associata al 70% dei carcinomi prostatici.
Evasione dell’apoptosi
Molte cellule tumorali a causa dello scarso livello di controllo degli errori del DNA, sviluppano meccanismi anti apoptotici quali la riduzione del recettore Fas, l’aumento di produzione di BCL2 o mutazioni di p53 che le impediscono di avviare l’apoptosi.
Telomerasi
Normalmente all’esaurimento dei telomeri in una cellula somatica segue il caos gentico, che induce l’apoptosi secondo la via di p53. Ma in molti tumori, p53 manca, quindi il caos genetico continua senza indurre apoptosi. A questo punto la cellula tumorale perde l controllo della sua espressione genica. Se casualmente riesce ad esprimere la telomerasi, i telomeri vengono rigenerati, la replicazione procede e si forma un clone neoplastico immortalizzato. Esistono anche sistemi di allungamento alternativo dei telomeri, ma sono poco conosciuti.
Angiogenesi
È un fenomeno necessario per la malignità (il tumore non va oltre i 2 mm senza avere dei vasi propri vasi). I vasi tumorali sono disordinati, porosi e dilatati. Il meccanismo che li genera è il seguente:
1. Il tumore cresce in poco spazio, quando raggiunge i due millimetri il nutrimento portato dal sangue non basta più per tutte le cellule.
2. Comincia uno stato di ipossi che fa soffrire le cellule.
3. La sofferenza cellulare attiva il fattore inducibile dell’ipossia (HIF), che sposta il metabolismo verso i fenomeni anaerobi per permettere alla cellula di ricavare energia anche senza ossigeno.
4. Il fattore HIF induce la cellula a produrre VEGF che porta ad una nuova genesi dei vasi.
5. I nuovi vasi vascolarizzano il tumore, ma a causa dell’architettura impropria della neoplasia, sono
tortuosi e scadent
Invasione e metastasi
È il fenomeno mediante cui il tumore diffonde ad altri organi. È un meccanismo complesso ed inefficiente (milioni di cellule vengono messe in circolo ogni giorno, ma quasi nessuna attecchisce). Le mutazioni che una cellula deve sviluppare per dare metastasi sono:
Distacco tra le cellule (ridotta espressione E-caderina e/o delle catenine associate).
Degradazione della matrice connettivale.
Movimento ameboide.
Capacità di entrare nei vasi.
Instabilità del genoma La perdita dei geni per la riparazione del DNA causa maggiore suscettibilità alle mutazioni e quindi aumentato rischio di tumore. La mutazione della chinasi ATM ad esempio causa l’atassi teleancectasia, mentre la perdita dei sistemi di riparazione per escissione è associata alla sindrome di Lynch (tumori
intestinali non polipoidi). Una perdita di funzione della DNA fotoliasi porta allo xeroderma pigmentoso.
Microambiente stromale
La matrice extracellulare contiene molti fattori di crscita intrappolati nelle fibre connettivali, che vengono liberati dall’azione degradante del tumore. Inoltre dello stroma fanno parte anche le cellule dell’infiammazione cronica, la cui produzione di citochine ha effetti trofici sul tumore. In realtà è il tumore stesso ad obbligare le cellule immuntarie a produrre molecole vantaggiose per la sua crescita (cancer immunoediting.
Effetto Warburg
Si tratta di uno switch verso il metabolismo anaerobio che rimane tale anche quando il tumore ha formato i propri vasi. Si suppone che la forma imperfetta dei vasi tumorali mantenga un costante stato di ipossia nel tumore e che quindi sia continuamente espresso HIF. Questo perchè l’ipossia è conveniente per la replicazione cellulare (maggior quantità di energia prodotta in tempi brevi per replicarsi velocemente).
