Cancro e ciclo cellulare

Come sappiamo, il ciclo cellulare è composto da periodi di crescita, di sintesi di DNA e di divisione. La lunghezza del ciclo e la durata di ciascuna fase sono controllate da segnali chimici esterni ed interni. Se questi segnali non sono interpretati correttamente o la cellula non è preparata a rispondere, essa può diventare cancerosa. L'attuale visione del controllo del ciclo cellulare implica che le transizioni tra le diverse fasi del ciclo (G1, S, G2 e M) siano regolate in “punti di controllo” (checkpoint). Un checkpoint è un meccanismo che blocca l'avanzamento del ciclo fino a quando un processo critico, come la sintesi del DNA, non sia completato o fin quando il DNA danneggiato non sia riparato. La fase G1 è quel periodo che va dalla fine di una mitosi alla fase di sintesi del DNA che precede la mitosi successiva. Durante la fase G1 la cellula cresce in dimensioni, importa materiali all'interno del nucleo e si prepara per la replicazione del DNA. La fase S è il momento della sintesi del DNA, o replicazione, in cui sono necessarie l'attivazione e l'inattivazione sincronizzata e sequenziale delle proteine che funzionano alla forcella replicativa. La fase G2 è l'intervallo compreso tra la sintesi del DNA e la mitosi; durante questa fase le cellule si preparano per la divisione cellulare. La fase M, invece, del ciclo cellulare, cioè la mitosi, comprende la rottura della membrana nucleare, la condensazione dei cromosomi, il loro legame al fuso mitotico e la segregazione dei cromosomi ai due poli; alla fine della mitosi la cellula si divide. Tutt'oggi, il macchinario molecolare che agisce in ogni punto di controllo è molto complesso, tuttavia è noto, che due tipi di proteine, le cicline e le chinasi ciclina-dipendenti (CDK) svolgono ruoli particolarmente importanti. Infatti, i complessi formati tra le cicline e le CDK inducono una progressione del ciclo cellulare. Comunque, le CDK sono le componenti cataliticamente attive del meccanismo del ciclo cellulare. Infatti, queste proteine regolano l'attività di altre proteine, trasferendo loro gruppi fosfato. Tuttavia, l'attività fosforilativa delle CDK dipende dalla presenza delle cicline, che rendono capaci le CDK di svolgere la loro funzione, formando complessi cicline-CDK. Quindi il livello delle cicline fluttua continuamente e l'avanzamento del ciclo cellulare, cioè il passaggio attraverso ciascuno di questi punti di controllo, richiede quindi la formazione e la degradazione dei complessi cicline-CDK.  Molti degli eventi molecolari che negli esseri umani controllano la transizione dalla fase G1 alla fase S sono stati identificati per analogia con eventi simili nel ciclo cellulare di lievito. ( G1 checkpoint) I primi complessi CDK-ciclina che compaiono durante la fase G1 nelle cellule umane sono i complessi CDK4-ciclinaD e CDK-ciclinaE. Questi complessi iniziano la transizione nella fase S attraverso una serie programmata di fosforilazioni delle proteine del gene del retinoblastoma (RB). La proteina Rb non fosforilata inibisce il fattore di trascrizione E2F, mentre una volta fosforilata, Rb non inibisce più E2F, che è libero di svolgere la sua funzione. La fosforilazione di Rb quindi indirettamente, attiva la sintesi del DNA rimuovendo i controlli su E2F e permettendo a questo fattore di attivare la trascrizione dei geni necessari alla sintesi del DNA. Non appena una cellula inizia la sintesi del DNA, la ciclinaD e la ciclinaE vengono degradate e viene sintetizzata una nuova ciclina: la ciclina A. La ciclina A serve come una chinasi guida durante la fase S. Infatti, non appena la ciclina A si è legata all'appropriata CDK, la cellula degrada rapidamente la ciclina D rimpiazzandola, avremo quindi il passaggio e l'attraversamento della fase S. (G2 checkpoint) Le cellule umane sembra che operino la transizione dalla fase G2 alla mitosi, attraverso una chinasi ciclina-dipendente, nota come CDC2 (la seconda C è al posto del K per ragioni storiche), formando un complesso con la ciclina B. Quest'ultima e la CDC2 sono entrambi presenti durante tutta la fase G2, ma la fosforilazione di uno specifico residuo di tirosina sulla chinasi ciclina-dipendente (aggiunto da un'altra chinasi) la mantiene inattiva. Quando arriva il momento giusto, un enzima fosfatasi rimuovere il gruppo fosfato della tirosina di CDC2, che viene quindi attivata e la cellula entra in mitosi. (M checkpoint) Durante la mitosi la formazione del fuso mitotico e il corretto attacco di tutte le coppie di cromatidi fratelli sono controllati da un checkpoint. L'osservazione di cellule in vivo ha rilevato che, quando i cromosomi si condensano e si attaccano al fuso, qualche volta può accadere che un singolo cromosoma non si attacchi al momento giusto. Di conseguenza, la cellula non inizia la separazione dei cromatidi fratelli o il movimento dei cromosomi in anafase fino a che anche il cromosoma in ritardo non si sia attaccato al fuso mitotico. Comunque, tutto questo processo funziona di continuo, ma quando radiazioni o mutageni chimici danneggiano il DNA durante la fase G1, la replicazione del DNA viene posticipata. Questo ritardo concede alla cellula il tempo necessario per riparare il DNA danneggiato prima di procedere alla sintesi del DNA. Nei mammiferi, le cellule esposte a radiazioni ionizzanti o a luce ultravioletta durante la fase G1, ritardano la loro entrata nella fase S attivando la via di p53. Quest'ultimo è un fattore di trascrizione che induce l'espressione dei geni della riparazione del DNA, così come l'espressione di un inibitore di CDK, conosciuto come p21. Come altri inibitori delle CDK, p21 si lega ai complessi CDK-ciclina e inibisce la loro attività; specificamente p21 previene l'entrata in fase S inibendo l'attività dei complessi CDK4-ciclinaD. Invece, le cellule selvatiche che non sono capaci di produrre una proteina p53 funzionale non solo si arrestano in fase G1 in presenza di un danno al DNA ma, se il danno è abbastanza grave, si suicidano in un processo noto come morte cellulare programmata, oppure apoptosi (vedi  apoptosi).
Oltre a p53, recenti studi hanno indicato che la proteina RB svolge un ruolo cruciale nella regolazione del ciclo cellulare. Infatti nella fase G1 precoce del ciclo cellulare, pRB si lega alle proteine E2F, una famiglia di fattori trascrizionali che controllano l'espressione di numerosi geni i cui prodotti fanno procedere la cellula nel ciclo. Quando i fattori di trascrizione E2F si legano a pRB, non possono legarsi a sequenze specifiche enhancer dei loro geni bersaglio. Di conseguenza, i fattori del ciclo cellulare codificati da questi geni non vengono prodotti ed il macchinario per la sintesi del DNA e la divisione cellulare rimane quiescente. Nella fase G1 tardiva, pRB viene fosforilata ad opera delle chinasi ciclina-dipendenti. In questo stato modificato, quindi pRB rilascia i fattori di trascrizione E2F legati, i quali sono liberi di attivare i loro geni bersaglio, che codificano proteine che inducono l'avanzamento nella fase S. Questa progressione ordinate e ritmica del ciclo cellulare è annullata nelle cellule cancerose. In molti tipi di cancro, non solo nel retinoblastoma, entrambe le copie del gene RB sono state inattivate per delezione o per mutazioni che abbassano o aboliscono la capacità delle proteina RB di legare i fattori di trascrizione E2F, i quali sono liberi di attivare i geni bersaglio, mettendo così in movimento il macchinario della sintesi del DNA e della divisione cellulare. La via RB comunque può essere alterata in altre maniere.