PATOLOGIA
Geni homeobox: un legame molecolare tra sviluppo e cancro
Geni homeobox: uma relação molecular entre o desenvolvimento e o câncer
Fabio Daumas NunesI; Fernanda Campos Souza de AlmeidaII; Renata TucciIII; Suzana Cantanhede Orsini Machado de SousaIV
IPhD, assistente professore
Identista, tirocinante
II studente di dottorato
IVPhD, professore associato Dipartimento di Patologia Orale, Scuola di Odontoiatria, Università di San Paolo.
ABSTRACT
I geni homeobox sono geni regolatori che codificano proteine nucleari che agiscono come fattori di trascrizione, regolando aspetti della morfogenesi e della differenziazione cellulare durante il normale sviluppo embrionale di diversi animali. I geni homeobox dei vertebrati possono essere divisi in due sottofamiglie: i geni clustered, o HOX, e i geni homeobox non clustered, o divergenti. Negli ultimi decenni, diversi geni homeobox, clustered e non clustered, sono stati identificati nei tessuti normali, nelle cellule maligne e in diverse malattie e alterazioni metaboliche. I geni homeobox sono coinvolti nel normale sviluppo dei denti e nell’agenesia familiare dei denti. Lo sviluppo normale e il cancro hanno molto in comune, poiché entrambi i processi comportano spostamenti tra proliferazione e differenziazione cellulare. La letteratura sta accumulando prove che i geni homeobox giocano un ruolo importante nell’oncogenesi. Molti tumori mostrano l’espressione o l’alterazione dei geni homeobox. Questi includono le leucemie, i tumori del colon, della pelle, della prostata, del seno e delle ovaie, tra gli altri. Questa recensione ha lo scopo di introdurre i lettori ad alcune delle funzioni della famiglia homeobox nei tessuti normali e soprattutto nel cancro.
Descrittori: Geni, homeobox; Neoplasie; Crescita & Sviluppo.
SOMMARIO
I geni homeobox sono geni regolatori che codificano proteine nucleari che agiscono come fattori di trascrizione, regolando vari aspetti della morfogenesi e della differenziazione cellulare durante il normale sviluppo embrionale di vari animali. I geni homeobox dei vertebrati possono essere suddivisi in due famiglie: i clustered, o HOX, e i non clustered, o divergenti. Durante gli ultimi decenni, diversi geni homeobox, clustered e non clustered, sono stati identificati nei tessuti normali, nelle cellule maligne e in diverse malattie e condizioni metaboliche. I geni omeobox sono coinvolti, per esempio, nel normale sviluppo dei denti e nell’agenesia dei denti che si verifica in famiglia. Lo sviluppo normale e il cancro hanno molto in comune, poiché entrambi coinvolgono la proliferazione e la differenziazione cellulare. La letteratura ha mostrato un numero crescente di articoli che mettono in relazione i geni homeobox con l’oncogenesi. Molti tipi di cancro mostrano l’espressione o l’alterazione dei geni homeobox. Essi includono leucemie, cancro al colon, alla pelle, alla prostata, al seno e alle ovaie, tra gli altri. Questa rassegna ha lo scopo di portare i lettori a conoscere alcune delle funzioni della famiglia homeobox nei tessuti normali e soprattutto nel cancro.
Descrittori: Geni omeobox; Neoplasie; Crescita & sviluppo.
INTRODUZIONE
I geni omeobox sono geni di controllo dello sviluppo che agiscono in cima alle gerarchie genetiche che regolano gli aspetti della morfogenesi e della differenziazione cellulare negli animali24. Questi geni sono stati scoperti per la prima volta nel moscerino della frutta Drosophila22 e identificati come geni le cui mutazioni causano la trasformazione del segmento corporeo, nota anche come trasformazione omeotica. Questo fenomeno consiste nella trasformazione di una parte del corpo in un’altra, per esempio una mosca con quattro ali invece di due.
La famiglia di geni Homeobox codifica proteine regolatrici che controllano i processi di sviluppo di base in diversi tessuti, compresi i tessuti orofacciali33. Essi contengono una sequenza comune di 180 nucleotidi (homeobox) che codifica per specifiche proteine nucleari (omeoproteine) che agiscono come fattori di trascrizione. La sequenza homeobox codifica un dominio di 60 amminoacidi, l’omeodominio, responsabile del legame al DNA8,11,32. Le analisi strutturali hanno dimostrato che l’omeodominio consiste in un motivo elicoidale-turn-helix che lega il DNA inserendo l’elica di riconoscimento nel solco maggiore del DNA e il suo braccio amino-terminale nel solco minore adiacente13. La specificità di questo legame permette alle omeoproteine di attivare o reprimere l’espressione di batterie di geni bersaglio a valle21. Gli omeobox sono anche sotto la regolazione di alcune proteine, come le proteine di segnalazione Sonic hedgehog (SHH), il fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) e la proteina morfogenetica ossea (BMP). È stato dimostrato che gli omeobox sono presenti in tutti i Metazoi, dalle spugne ai vertebrati e anche nelle piante e nei funghi6.
Questa recensione ha lo scopo di introdurre i lettori ad alcune delle funzioni della famiglia homeobox nei tessuti normali e soprattutto nello sviluppo del cancro, che potrebbe essere di prezioso interesse clinico nel prossimo futuro.
GENI HOMEOBOX NELLO SVILUPPO
La famiglia dei geni homeobox dei vertebrati può essere divisa in due sottofamiglie: a) i geni homeobox raggruppati, noti come geni HOX o classe I; e b) i geni homeobox non raggruppati, o divergenti.
La famiglia HOX svolge un ruolo fondamentale nella morfogenesi delle cellule dell’embrione dei vertebrati, fornendo informazioni regionali lungo l’asse principale del corpo11,24. Questa famiglia è strutturalmente e funzionalmente omologa al complesso omeotico (HOM-C) di Drosophila. Ci sono almeno 39 geni nei topi (geni HOX) e negli esseri umani (geni HOX) organizzati in quattro cluster genomici di circa 100 kb di lunghezza chiamati loci HOX. Ogni cluster si trova in un cromosoma diverso (HOX-A, HOX-B, HOX-C e HOX-D, rispettivamente a 7p, 17p, 12p e 2p) e comprende da 9 a 11 geni disposti in un’organizzazione di sequenza omologa (Figura 1)7,8. I geni HOX sono stati riportati come implicati nell’angiogenesi e nella riparazione delle ferite36, nelle funzioni del tratto riproduttivo femminile35 e nell’ipertensione polmonare e nell’enfisema14. Le mutazioni nei geni HOX possono ancora partecipare a malformazioni umane, per esempio, HOXA13 genera la sindrome mano-piede-genitale15, HOXB1 genera la sindrome di Mowat-Wilson39, e la sindrome di Duanes Retraction (DRS) si collega al gruppo HOXD1. Inoltre, Ingram et al.16 (2000) hanno riportato prove di un’interazione tra HOXA1, HOXB1 e il genere nella suscettibilità ai disturbi dello spettro autistico.
I geni non clusterizzati sono un gran numero di geni sparsi nel genoma che, tuttavia, possono essere organizzati in famiglie distinte basate sulle loro omologie e somiglianze funzionali. Alcune delle famiglie includono i geni omeobox appaiati (PAX), ortodentico (OTX), segmento muscolare (MSX), distalless (DLX), caudale (CDX) e spiracoli vuoti (EMX), tra gli altri24.
Durante gli ultimi decenni, diversi geni homeobox, clustered e non clustered, sono stati identificati nel tessuto normale, in cellule maligne e in diverse malattie e alterazioni metaboliche7. I geni PAX sono la famiglia di homeobox con le connessioni più forti con le malattie umane. PAX2 è stato implicato nel cancro al seno34, nell’ipoplasia renale e nelle malattie renali26; PAX3 ha un ruolo nei rabdomiosarcomi2 e nei melanomi31; PAX5 determina l’identità delle cellule B28. I geni omeobox MSX sono coinvolti nel normale sviluppo dei denti e nell’agenesia familiare dei denti9.
OMEOBOX E CANCRO
Il cancro orale è, rispettivamente, il quinto e il settimo tumore più comune per uomini e donne nella popolazione generale. Circa la metà dei pazienti colpiti muore entro cinque anni dalla diagnosi38. I carcinomi a cellule squamose rappresentano il 96% di tutti i tumori orali. Durante l’ultimo decennio, sono stati fatti molti progressi nel delineare le alterazioni molecolari che portano alla trasformazione oncogenica11. Diversi studi indicano che l’uso di alcol e tabacco sono fattori importanti che causano il cancro orale19,38. È stata suggerita una predisposizione genetica, poiché la maggior parte della popolazione esposta ai fattori di rischio menzionati non sviluppa il cancro orale. Inoltre, casi sporadici di cancro orale si verificano in giovani adulti, non utilizzatori di alcun cancerogeno identificabile, e ci sono stati rapporti di coinvolgimento della storia familiare23. Oggi, molti eventi genetici causati da alterazioni cromosomiche o mutazioni sono stati proposti per sottolineare la progressione dei tumori orali38. I geni regolatori dello sviluppo4,11 sono un importante gruppo di geni coinvolti nella carcinogenesi. Questi geni non sono mai stati associati al cancro orale. Recentemente, siamo stati in grado di dimostrare che quattro linee cellulari distinte di carcinoma a cellule squamose esprimono i geni HOX in modo diverso dalle cellule e dai tessuti di controllo27.
Il cancro e lo sviluppo normale hanno molto in comune, poiché entrambi i processi comportano spostamenti tra proliferazione e differenziazione cellulare4. Ricerche recenti hanno dimostrato che una regolazione impropria dei geni dello sviluppo può portare al cancro. Tuttavia, c’è ancora molto da imparare sull’interazione che esiste tra sviluppo, ciclo cellulare, apoptosi e cancro.
Molti tumori mostrano l’espressione o l’alterazione dei geni homeobox. Essi comprendono la leucemia, il cancro del colon, della pelle, della prostata, del seno e delle ovaie, tra gli altri. Recentemente è stato dimostrato che la perdita di espressione nel cancro al seno umano di p53, un gene che protegge le cellule dalla trasformazione maligna, può essere dovuta principalmente alla mancanza di espressione di HOXA529. Tuttavia, i meccanismi precisi con cui le alterazioni del gene homeobox portano al cancro sono ancora sconosciuti11.
La dimostrazione di modelli di attivazione dei geni HOX specifici del lignaggio cellulare in linee cellulari leucemiche umane e murine supporta l’ipotesi che l’espressione dei geni HOX possa regolare la normale differenziazione ematopoietica21. L’espressione alterata dei geni HOX situati nei loci HOXA e HOXB è spesso coinvolta nella leucemogenesi. L’infezione di normali cellule del midollo con un costrutto LTR/HOXB8, insieme all’azione del gene IL-3, è stata in grado di indurre la leucemia mieloide nei topi24.
Una fusione genomica in frame tra il gene della nucleoporina NUP98 e il gene HOXA9 è stata dimostrata in tre pazienti con leucemia mieloide e traslocazione t(7;11)25. Le proteine di fusione chimeriche risultanti dal dominio attivatore della trascrizione di una proteina e il dominio legante il DNA di un’altra mostrano un alto potenziale oncogeno. Altre fusioni, come PBX1 a E2A e HRX a proteine nucleari, alterano il legame sequenza-specifico dei geni HOX, dirigono le omeoproteine verso un bersaglio diverso e inducono la leucemogenesi19. Il locus HOXC è principalmente implicato nei linfomi. HOXC4, C5 e C6 sono stati esitati nei linfomi non-Hodgkin, mostrando un modello di espressione limitato al tipo e al sito sia nei linfomi non-Hodgkin a cellule T che in quelli a cellule B3.
Maggiori differenze nell’espressione del gene HOX sono rilevabili nei tumori solidi primari (rene, colon, seno, prostata e cancro del polmone a piccole cellule) rispetto ai corrispondenti organi adulti normali7,20. Misexpression dei geni HOX è rilevabile nelle lesioni metastatiche relative al tumore primario di origine e il tessuto normale corrispondente, sostenendo l’ipotesi di un’implicazione di omeoproteine nell’evoluzione del cancro10.
sovraespressione del gene homeobox HSIX1 in cellule MCF7 abrogato il checkpoint del ciclo cellulare G2 in risposta a raggi X, come è stato osservato con HOX11. Inoltre, HSIX1, come HOX11, è espresso in modo aberrante nel cancro. La sovraespressione di HSIX1 è osservata nel 44% delle lesioni mammarie primarie e nel 90% di quelle metastatiche, suggerendo che HSIX1 può svolgere un ruolo nella progressione del cancro al seno11. Nelle ghiandole mammarie, i trascritti HOXC6, che sono attivi durante la pubertà e la maturità, sono diventati silenziosi durante la gravidanza, probabilmente a causa della regolazione negativa dell’ormone steroideo, e sono anche inattivi negli adenocarcinomi mammari12.
In altre neoplasie, è stata riportata anche l’espressione dei geni HOX. Per esempio, gli adenocarcinomi renali esprimono costantemente il gene HOXA9 e solo raramente esprimono HOXD10 o HOXC930. HOXB6, HOXB8 e HOXC9 sono malespressi in varie fasi dell’evoluzione del cancro al colon37. HOXB7 è silente nei melanociti normali, ma diventa attivo nei melanomi5. Nella pelle del topo, HOXA6, A7 e B7 sono stati identificati nel papilloma, ma non nella pelle normale6. HOXC6, D1 e D8 sono espressi nelle cellule di neuroblastoma umano8. Infine, negli osteosarcomi, l’espressione di HOXC6 sembra essere regolata da membri della superfamiglia TGF-b18.
CONCLUSIONI
Ci si aspetta un legame tra sviluppo e cancro poiché entrambi i processi coinvolgono la proliferazione e la differenziazione cellulare. I geni Homeobox sono stati descritti per la prima volta in organismi in fase di sviluppo e sono ora riconosciuti per essere espressi in molti tipi di cancro. La differenza tra il modello di espressione in tessuti normali distinti e in tessuti tumorali deve essere ulteriormente caratterizzata al fine di tutti in carcinogenesi. Inoltre, ulteriore caratterizzazione isences di modulazione dell’espressione di questi geni in neoplasie, tra cui il cancro orale.
RICONOSCIMENTI
La ricerca è finanziata dalle sovvenzioni 97/13228-5 e 01/13644-6 da FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.
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