APOPTOSI E SENESCENZA CELLULARE
APOPTOSI E SENESCENZA CELLULARE
Come già ricordato nel capitolo sullo Stress ossidativo, le normali attività metaboliche cellulari e molti fattori ambientali, come le radiazioni ionizzanti, possono causare danni al DNA. Si stima che ci possano essere circa 500000 singole lesioni molecolari per cellula al giorno. Quindi l’attività di riparazione del DNA deve essere continua, per correggere tutti i danni che altrimenti avrebbero delle conseguenze gravi sulla espressione dei geni codificanti. La proteina p53 è un fattore di trascrizione che rileva la presenza di DNA danneggiato e ne blocca la replicazione, affinché si verifichino prima i processi di riparazione in modo che il DNA alterato non si replichi e non sia trasmesso alle cellule figlie. Quando la cellula invecchia, tuttavia, la velocità di riparazione del DNA decresce fino a che non può tenere più il passo con la riparazione del danno al DNA. A questo punto la cellula va incontro ad uno dei tre possibili destini:
Esistono patologie ereditarie associate a difetti nella riparazione del DNA, come la sindrome di Werner che determina invecchiamento o come lo Xeroderma Pigmentoso che aumenta la sensibilità ai carcinogeni. L’inibizione dei geni deputati alla riparazione del DNA, in studi su animali, ha dimostrato patologie simili e, per contro, negli organismi in cui i sistemi di riparazione del DNA sono accelerati, come ad esempio nel batterio ultraresistente Deinococcus radiodurans, è presente una notevole resistenza alla radioattività. Dove gli enzimi di riparazione del DNA sono in grado di lavorare più velocemente, possono inibire anche i danni indotti da radiazioni. Vi sono studi che sembrano confermare che la longevità umana sia collegata ad una veloce riparazione del DNA, soprattutto mitocondriale. Mutazioni del gene per la riparazione del DNA hOGG1 aumenta la suscettibilità al cancro al polmone ed altri tipo di cancro, più frequenti nei fumatori.
L'apoptosi cellulare è un processo di morte cellulare programmata, ordinata e richiedente energia (molecole di ATP). Questo processo elimina le cellule danneggiate o superflue senza causare infiammazione.
La senescenza cellulare è un processo di trasformazione programmata delle cellule che smettono di dividersi ma non muoiono, rimanendo attive nei tessuti, causando infiammazione.
Entrambe si differenziano dalla necrosi cellulare che è una forma di morte cellulare non programmata e caotica, causata da eventi esterni dannosi, come traumi, infezioni o mancanza di afflusso sanguigno.
L’apoptosi cellulare
Il meccanismo che si conclude con l’apoptosi riconosce principalmente due vie di attivazione, che convergono in una cascata enzimatica comune.
Via Estrinseca (Recettoriale)
È innescata da segnali esterni: le molecole extracellulari (come TNF-α, Fas-L, TRAIL), per lo più provenienti da cellule del sistema immunitario, si legano ai loro recettori specifici (recettori di morte) presenti sulla membrana plasmatica (es. Fas CD95 / APO-1 che lega il ligando Fas-L per eliminare cellule infette o danneggiate; TNFR1 o Recettore del TNF-1 che lega il TNF-alfa; TRAIL-R1 / TRAIL-R2 che legano la proteina TRAIL per indurre la morte selettiva nelle cellule tumorali. Il legame attiva le proteine adattatrici (come FADD) che reclutano e attivano la caspasi-8 o 9 dette caspasi iniziatrici. Le caspasi sono un gruppo di enzimi proteolitici, cioè proteasi.
Via Intrinseca (Mitocondriale) È attivata da stress interni, come danni al DNA (tramite l’azione della proteina oncosoppressore p53), stress ossidativo o mancanza di fattori di crescita. Le proteine pro-apoptotiche della famiglia Bcl-2 (come Bax e Back) alterano la membrana del mitocondrio. I mitocondri danneggiati rilasciano nel citoplasma il citocromo c che si unisce ad Apaf-1 e procaspasi-9 formando l'apoptosoma, che attiva la caspasi-9.
Ad entrambe le vie fa seguito una Fase Comune di Esecuzione e Rimozione che inizia con la Cascata delle Caspasi: le caspasi iniziatrici (8 e 9) attivano le caspasi esecutrici (come la caspasi-3 e la caspasi-7). Segue quindi la frammentazione della cellula nella quale le caspasi distruggono le strutture cellulari e il DNA nucleare in modo controllato. La cellula si raggrinzisce e si frammenta in vescicole rivestite da membrana (corpi apoptotici). Sulla superficie di questi corpi si espone la fosfatidilserina, un segnale chimico che richiama i macrofagi per la rimozione pulita e priva di infiammazione attraverso la fagocitosi dei corpi apoptotici.
Durante tutto questo processo la proteina p53 ha un ruolo specifico come guardiano del genoma, soprattutto in funzione antitumorale cioè onco soppressiva. Infatti rileva i danni al DNA causati da radiazioni o sostanze tossiche e blocca la divisione della cellula per dare tempo ai sistemi di correzione di agire. Se il danno genetico è troppo grave, ordina alla cellula la morte programmata per evitare la formazione di tumori.
Nei tessuti sani, p53 si trova nel nucleo della cellula in piccola quantità ed è inattivata dal legame con la proteina MDM2, ma in caso di danni al DNA o stress, i suoi livelli aumentano rapidamente attivandosi. La sua azione si esplica in vario modo: In presenza di un danno al DNA, p53 stimola la produzione della proteina p21 che blocca i complessi ciclina-CDK, arrestando il ciclo cellulare e questo impedisce alla cellula di replicare il DNA danneggiato e di trasmettere le mutazioni alle cellule figlie. Mentre la cellula è bloccata, p53 attiva i geni responsabili della riparazione del DNA (come GADD45), ma se il danno genetico è irreparabile o troppo esteso p53 avvia il programma di morte cellulare per proteggere l'intero organismo, attivando direttamente i geni pro-apoptotici della via intrinseca (mitocondriale) con la conseguente produzione delle proteine pro-apoptotiche. Terminata la sua azione la proteina p53 è nuovamente inattivata dalla proteina MDM2, con meccanismo di feedback negativo. Le mutazioni nel gene TP53 che codifica la proteina p53 sono tra le alterazioni genetiche più comuni riscontrate nei tumori umani, sia con assenza nel nucleo della proteina sia con eccesso di produzione da parte del gene mutato che risiede nel cromosoma 17. Quando p53 è mutato, spesso perde la sua capacità di indurre e regolare la apoptosi cellulare programmata, consentendo alle cellule anomale di crescere in modo incontrollato. Queste mutazioni sono comuni in molti tumori, tra cui:
Carcinoma ovarico sieroso di alto grado.
Carcinoma endometriale.
Tumori del pancreas, dello stomaco e del colon-retto.
Cancro alla vescica.
Carcinoma uroteliale in situ.
Tumori cerebrali (glioma, medullo blastoma).
Alcuni tipi di cancro al seno.
Cancro vulvare HPV-indipendente.
Naturalmente anche tutte le mutazioni che coinvolgono le varie proteine che agiscono a cascata nel processo di apoptosi cellulare possono interrompere il processo e favorire l’oncogenesi. Esiste un test colorimetrico al microscopio, usato in ambito specialistico, che riguarda p53 e che permette di ottenere informazioni sul comportamento e l'aggressività di un tumore in particolari casi clinici. Anche le disfunzioni indotte da noxae patogene al legame p53/MDM2 possono impedire il normale funzionamento regolatore di p53.
La senescenza cellulare
La senescenza cellulare può essere indotta dalla proteina p53 (nota anche come senescenza prematura indotta da stress) ed è uno stato di arresto permanente e irreversibile della proliferazione cellulare. La cellula perde definitivamente la capacità di dividersi, ma rimane metabolicamente attiva e vitale, "rifiutandosi" di morire per apoptosi e per questo alcuni autori le chiamano cellule Zombie.
Quando la cellula subisce uno stress cronico o comunque grave (come l'accorciamento dei telomeri, un forte stress ossidativo o l'attivazione di geni oncogeni), p53 si attiva in modo persistente e avvia il programma di senescenza attraverso due passaggi chiave, attivando prima stabilmente la trascrizione di p21 (inibitore delle chinasi ciclina-dipendenti). Poi p21 blocca l'iperfosforilazione della proteina del retinoblastoma (Rb) che rimane nella sua forma attiva (ipofosforilata) e sequestra i fattori di trascrizione E2F. Ciò blocca stabilmente il ciclo cellulare, impedendo l'espressione dei geni necessari per entrare nella fase successiva di replicazione del DNA. Anche la cromatina nucleare viene rimodellata silenziando definitivamente i geni della proliferazione cellulare. La cellula senescente resta comunque viva e con caratteristiche particolari. Innanzi tutto resiste all’apoptosi perché stimola fattori di sopravvivenza (come Bcl-2 o p21 stessa), rendendo la cellula estremamente resistente ai segnali di morte. Le cellule senescenti si modificano morfologicamente diventando molto più grandi, piatte, espanse con accumulano di vacuoli, ed esprimono alti livelli dell'enzima beta-galattosidasi associata a senescenza, usato in laboratorio per identificarle. Infine, anche se non si dividono, le cellule senescenti secernono un potente insieme di molecole varie: Citochine infiammatorie (IL-6, IL-8), Chemochine, Fattori di crescita e metallo proteasi della matrice (MMP); questa caratteristica è chiamata SASP (Fenotipo Secretorio Associato alla Senescenza). Ciò comporta una infiammazione cronica di basso grado che può danneggiare le cellule vicine, alterandone il comportamento. Possono anche modificare le strutture che sostegno dei tessuti (vedi anche i capitoli relativi alla Infiammazione cronica di basso grado, la Disglicemia e le Metallo proteasi). L’effetto finale conseguente ad un forte accumulo di cellule senescenti è naturalmente l’invecchiamento dei tessuti, anche se non possono essere definite sempre dannose perché possono contribuire alla riparazione dei tessuti, oltre a bloccare la replicazione di cellule danneggiate.
Telomeri
È utile a questo punto un approfondimento sui telomeri. I telomeri sono strutture nucleoproteiche costituite da sequenze ripetute di DNA non codificante (nell'uomo TTAGGG) situate alle estremità dei cromosomi. Il loro compito è proteggere i cromosomi dal degradarsi o dal fondersi tra loro. Ogni volta che una cellula si divide, i telomeri si accorciano a causa della modalità di azione dell’enzima DNA polimerasi deputato alla replicazione del DNA. Nelle cellule somatiche adulte l'enzima telomerasi (che potrebbe ricostruire i telomeri) è spento, determinando una perdita progressiva di basi nucleotidiche a ogni mitosi. Raggiunto l’esaurimento del telomero, l’estremità viene interpretata dalla cellula come una rottura irreparabile del DNA, cioè un evento grave, che, con il meccanismo della p53, innesca la senescenza cellulare, attraverso la trascrizione di p21. Una delle caratteristiche delle cellule tumorali è il potenziale replicativo illimitato e riguarda proprio l’attivazione di enzimi come la telomerasi (di solito silenziata nella cellula adulata). In questo modo viene impedito l’accorciamento dei cromosomi che diventando di fatto inesauribili e ciò elimina uno dei meccanismi di difesa contro il cancro.
Fattori di trascrizione E2F
I Fattori di Trascrizione E2F sono una famiglia di proteine che svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione del ciclo cellulare eucariotico. Agiscono principalmente come attivatori del segnale di crescita, promuovendo la progressione del ciclo cellulare fino alla fase dove avviene la replicazione del DNA. Regolano l'espressione di numerosi geni coinvolti nella replicazione, nella sintesi e nella riparazione del DNA, come per esempio le DNA polimerasi, proteine che partecipano alla formazione del complesso di replicazione del DNA.
Altre vie di senescenza
Esistono anche altre vie di senescenza indipendenti da p53. Una via importante è quella della proteina p16 (p16INK4a) e pRb. Questa via agisce in modo parallelo a p53. Blocca il ciclo cellulare tramite l'inibizione delle chinasi dipendenti da ciclina (CDK4/6) impedendo la fosforilazione della proteina del retinoblastoma (pRb) e bloccando la progressione verso le fasi successive di replicazione cellulare. Questo meccanismo agisce soprattutto per stress oncogenico o ossidativo ed è efficace anche in cellule con p53 mutato o assente.
Le proteine p53 e p16 (p16INK4a) sono i due regolatori fondamentali della risposta allo stress cellulare. Sebbene attivino cascate molecolari distinte — la via p53/p21 e la via p16/pRb — esse collaborano strettamente per decidere il destino della cellula: arresto temporaneo, senescenza o apoptosi. A condizionare il destino della cellula sono la natura, l'intensità e la durata dello stimolo dannoso.
Studi sui farmaci senologici
Vengono definiti senologici alcuni farmaci studiati sperimentalmente per eliminare le cellule senescenti e ridurre quindi l’infiammazione cronica associata alla senescenza. Alcuni sono sintetici come il dasatinib, un farmaco antitumorale usato per le leucemie, oppure il navitoclax. Sono in fase di studio anche terapie avanzate come le cellule CAR-T senolitiche.
Altri sono dei prodotti naturali, noti per le loro proprietà antiinfiammatorie come la quercetina, la curcumina e la fisetina, anch’essi studiati sperimentalmente, per lo più in associazione con i sintetici.
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