Un gene mutato che ripara il DNA potrebbe aprire la strada a nuove terapie contro il cancro.

Quando si parla di cancro, i geni oncosoppressori sono generalmente considerati i “buoni”. Questi geni producono proteine ​​che proteggono e riparano il DNA nelle cellule. Se smettono di funzionare o se la loro produzione è insufficiente, il rischio di cancro aumenta. Ma anche le cose buone possono essere eccessive: quando le cellule sovraesprimono il gene EXO1, ovvero producono più proteina del dovuto, questo può degradare il DNA che dovrebbe riparare. Ciò causa danni che possono alterare il genoma, una caratteristica distintiva del cancro, secondo un team di ricercatori del Penn State College of Medicine.

In uno studio pubblicato su Nature Communications , i ricercatori hanno scoperto che il gene EXO1 è sovraespresso nel 20-30% dei tumori al seno e alle ovaie, così come nel melanoma e nei tumori testicolari, cervicali ed epatobiliari, che si sviluppano nel fegato, nella cistifellea e nei dotti biliari. Le cellule tumorali con alti livelli di proteina EXO1 mostrano caratteristiche simili alle cellule con una mutazione BRCA, una modifica del codice genetico nota per il suo legame con i tumori ereditari al seno e alle ovaie. Ciò significa che queste cellule tumorali si comportano come cellule con mutazione BRCA, compresa la loro risposta alle chemioterapie e ad altri farmaci, anche in assenza di mutazione BRCA, una scoperta che, secondo i ricercatori, non era mai stata fatta prima.

“EXO1 non predice il rischio di cancro, ma potrebbe potenzialmente fungere da biomarcatore per aiutare a prevedere quali pazienti hanno maggiori probabilità di rispondere a determinati trattamenti chemioterapici, portando a terapie più personalizzate”, ha affermato George-Lucian Moldovan, professore di medicina molecolare e di precisione e autore senior dello studio.

“Gli stessi farmaci riservati al trattamento dei tumori con mutazioni BRCA, che presentano minori effetti collaterali, potrebbero potenzialmente essere utilizzati per trattare i tumori con sovraespressione di EXO1, che non presentano mutazioni BRCA. Ciò amplierebbe l’applicabilità di questi farmaci.”

Analisi approfondita di dati e modelli genomici

Per questo studio, il team di ricerca ha analizzato il Cancer Genome Atlas, un programma di genomica sul cancro del National Cancer Institute, alla ricerca di alterazioni del gene EXO1 in campioni tumorali. Hanno scoperto che EXO1 era sovraespresso in diversi tumori, tra cui quelli al seno, alla pelle, al fegato e alla cervice uterina, il che è in linea con studi precedenti nel settore. In particolare, alti livelli di EXO1 sono stati associati ai tumori al seno basali, un sottotipo aggressivo di tumore al seno.

Il team di ricerca ha condotto studi di laboratorio con cellule tumorali umane disponibili in commercio. I ricercatori hanno sovraespresso il gene EXO1 nelle cellule per osservare come un’eccessiva espressione influenzasse il DNA cellulare. Hanno anche sovraespresso una versione biochimicamente inattiva del gene EXO1, ovvero le proteine ​​da esso prodotte erano presenti ma non interagivano con altre cellule, per confermare che qualsiasi danno al DNA osservato fosse specificamente causato dall’attività proteica e non semplicemente dalla presenza della proteina.

Come un eccesso di EXO1 danneggia il DNA

Nelle cellule normali, la proteina EXO1 agisce come un paio di forbici molecolari, tagliando e riparando il DNA danneggiato. Quando la quantità di EXO1 nelle cellule è eccessiva, i ricercatori hanno scoperto che inizia a tagliare elementi che non dovrebbe. Hanno osservato che EXO1 destabilizza il DNA appena sintetizzato in due modi principali: espandendo le lacune del DNA a singolo filamento e degradando le forcelle di replicazione invertite. Entrambi i processi danneggiano il DNA e portano a una perdita localizzata di sequenze di DNA, ha spiegato Moldovan.

“Indipendentemente dal percorso, la sovraespressione di EXO1 porta alla generazione e all’accumulo di lesioni tossiche nel DNA, come le rotture a doppio filamento, che riteniamo siano la causa finale della maggiore sensibilità del tumore alla chemioterapia e dell’aumento della morte cellulare”, ha affermato Alexandra Nusawardhana, autrice principale dello studio e che quest’anno ha conseguito il dottorato in scienze biomediche presso il Penn State College of Medicine.

Parallelismi con la biologia dei tumori con mutazione BRCA.

Normalmente, i geni BRCA producono proteine ​​che proteggono queste strutture genomiche; quando si verifica una mutazione nei geni BRCA, le cellule non sono in grado di proteggere il loro DNA durante la replicazione, il che può eventualmente portare allo sviluppo del cancro. Tuttavia, in questo studio, alti livelli della proteina EXO1 hanno aggirato le difese di BRCA, anche in cellule in cui BRCA è pienamente funzionale e non presenta mutazioni. I ricercatori hanno scoperto che EXO1 agiva in concerto con un’altra proteina chiamata MRE11 per espandere le lacune nel DNA e creare rotture pericolose.

“Dal punto di vista meccanicistico, questa sovraespressione fa esattamente quello che fa la perdita della via BRCA nelle cellule tumorali con mutazione BRCA”, ha affermato Moldovan. Ma a differenza delle mutazioni BRCA, la sovraespressione di EXO1 non è ereditaria e non è noto se causi il cancro, ha spiegato.

Test di sensibilità ai farmaci antitumorali

A causa del comportamento simile, i ricercatori volevano capire se anche le cellule tumorali che sovraesprimevano EXO1 avrebbero risposto ai trattamenti antitumorali allo stesso modo dei tumori con mutazione BRCA. Hanno quindi testato la risposta dei tumori con sovraespressione di EXO1 all’olaparib, un farmaco già in uso per il trattamento dei tumori con mutazione BRCA, che agisce sul sistema di riparazione cellulare. Hanno scoperto che i tumori erano ipersensibili al farmaco, reagendo in modo simile ai tumori con mutazione BRCA.

Questa scoperta suggerisce che anche i tumori che sovraesprimono EXO1, ma non presentano una mutazione BRCA, potrebbero beneficiare dello stesso tipo di terapia mirata alla riparazione cellulare. I ricercatori hanno inoltre scoperto che i tumori con sovraespressione di EXO1 rispondevano al cisplatino, un farmaco chemioterapico ampiamente utilizzato, il che suggerisce che dosi inferiori di cisplatino potrebbero potenzialmente ottenere la stessa riduzione del tumore con minori effetti collaterali.

Potenziale biomarcatore per future terapie

Secondo Moldovan, poiché la sovraespressione di EXO1 è più comune nei tumori rispetto alla mutazione BRCA, la sua presenza nelle cellule cancerose potrebbe potenzialmente rappresentare un utile biomarcatore per identificare opzioni di trattamento più personalizzate.

“Non dovremmo trattare i tumori in base al tessuto di origine, ma in base al profilo delle mutazioni genetiche presenti al loro interno”, ha affermato Moldovan. “Questo porterebbe a trattamenti altamente efficaci. Questo è il futuro della cura del cancro.”

Il team di ricerca prevede di proseguire su questa linea di ricerca con l’obiettivo di condurre, in futuro, studi clinici su pazienti oncologici affetti da tumori che presentano una sovraespressione di EXO1.

Claudia Nicolae, professoressa assistente di medicina molecolare e di precisione presso il Penn State College of Medicine, ha contribuito anch’essa all’articolo.

Sommario

I geni di riparazione del DNA sono generalmente considerati oncosoppressori, poiché la loro inattivazione si osserva nei tumori ed è associata alla carcinogenesi. Mutazioni nei geni BRCA1 e BRCA2 sono riscontrate nel cancro al seno, alle ovaie e in altri tumori. Ciò comporta un difetto nella riparazione del DNA tramite ricombinazione omologa, nonché la degradazione del DNA neoformato durante lo stress replicativo, catalizzata da esonucleasi tra cui EXO1 e MRE11. Tuttavia, la maggior parte dei tumori presenta un pathway BRCA funzionante. In questo studio, dimostriamo che EXO1 è sovraespresso in una percentuale significativa di tumori. La sovraespressione di EXO1 causa la degradazione del DNA neoformato sia a livello delle lacune del DNA a singolo filamento (ssDNA) che delle forcelle di replicazione invertite. È importante sottolineare che questa degradazione avviene in modo efficiente nelle cellule con BRCA funzionante, grazie alla cooperazione con MRE11. Ciò si traduce in un aumento della formazione di rotture a doppio filamento e in una maggiore sensibilità agli agenti genotossici. Identifichiamo quindi l’aumento dell’attività di EXO1 come un meccanismo di instabilità genomica simile all’inattivazione della via di segnalazione BRCA, ma che si verifica con maggiore frequenza nei tumori rispetto all’inattivazione di BRCA.

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