I geni oncosoppressori sono spesso considerati il sistema di difesa dell’organismo contro il cancro. Producono proteine che contribuiscono al mantenimento e alla riparazione del DNA, riducendo così il rischio che si accumulino mutazioni dannose. Se questi geni non funzionano più correttamente o sono presenti solo in quantità ridotte, il rischio di cancro può aumentare. Tuttavia, recenti risultati di ricerca indicano che anche un eccesso di una determinata proteina di riparazione del DNA può rappresentare un problema. I ricercatori del Penn State College of Medicine hanno scoperto che un’eccessiva attività del gene EXO1 può danneggiare il DNA anziché proteggerlo. Anziché riparare il materiale genetico, un eccesso di EXO1 può distruggere il DNA e destabilizzare il genoma – una caratteristica fondamentale del cancro.
I risultati, pubblicati su *Nature Communications*, mostrano che l’EXO1 è sovraespresso nel 20–30% dei casi di tumore al seno e alle ovaie, nonché nei melanomi, del cancro ai testicoli, del cancro alla cervice uterina e dei tumori del sistema epato-biliare – ovvero del fegato, della cistifellea e delle vie biliari – è sovraespresso. Il team ha inoltre scoperto che le cellule tumorali con concentrazioni insolitamente elevate di EXO1 si comportano in modo simile alle cellule con mutazioni del gene BRCA, note per aumentare il rischio di tumori al seno e alle ovaie di origine ereditaria. È importante sottolineare che questo comportamento simile a quello delle mutazioni BRCA si è manifestato anche in assenza di mutazioni BRCA.
L’EXO1 potrebbe aiutare a identificare le pazienti idonee alle terapie mirate
I ricercatori hanno scoperto che i tumori con livelli elevati di EXO1 rispondevano ai trattamenti in modo molto simile a quello dei tumori con mutazioni del gene BRCA. «Sebbene EXO1 non predica il rischio di cancro, potrebbe potenzialmente fungere da biomarcatore per prevedere quali pazienti siano più propensi a rispondere a determinate chemioterapie, il che porterebbe a terapie più personalizzate», ha affermato George-Lucian Moldovan, professore di medicina molecolare e di precisione e autore principale dello studio. «Gli stessi farmaci destinati al trattamento dei tumori con mutazioni del gene BRCA, che presentano minori effetti collaterali, potrebbero potenzialmente essere utilizzati anche per il trattamento dei tumori che sovraesprimono EXO1 ma che non presentano mutazioni del gene BRCA. Ciò amplierebbe il campo di applicazione di questi farmaci».
Per studiare il ruolo di EXO1, i ricercatori hanno analizzato i dati sui tumori provenienti dal «Cancer Genome Atlas», un programma di genomica oncologica del National Cancer Institute. Hanno trovato indicazioni di una sovrapproduzione di EXO1 in vari tipi di cancro, tra cui tumori al seno, alla pelle, al fegato e alla cervice uterina, il che è in linea con i risultati di ricerche precedenti. Livelli elevati di EXO1 sono stati associati in particolare al carcinoma mammario di tipo basale, una forma aggressiva della malattia.
Come l’eccesso di EXO1 danneggia il DNA
Successivamente, il team ha condotto esperimenti di laboratorio su cellule tumorali umane. I ricercatori hanno aumentato in modo mirato la produzione di EXO1 per studiare gli effetti di un eccesso di questa proteina sul DNA. Inoltre, hanno creato una variante inattiva di EXO1, che veniva prodotta ma aveva perso la sua funzione enzimatica. In questo modo sono riusciti a dimostrare che i danni al DNA osservati erano effettivamente causati dall’attività della proteina. In condizioni normali, l’EXO1 agisce come una sorta di forbice molecolare che elabora il DNA danneggiato, favorendo così i processi di riparazione. In caso di sovraespressione, tuttavia, questa funzione viene compromessa. Anziché limitarsi a trattare il DNA danneggiato, l’EXO1 attacca sempre più spesso anche strutture importanti che si formano durante la replicazione del DNA.
I ricercatori hanno identificato due meccanismi principali: da un lato, l’eccesso di EXO1 amplia le lacune nel DNA a singolo filamento, che normalmente vengono riparate rapidamente. In secondo luogo, degrada le cosiddette «forche di replicazione inverse» – strutture protettive che si formano durante la replicazione del DNA per prevenire danni genetici. Entrambi i processi comportano una perdita di materiale genetico e aumentano l’instabilità del genoma.
La conseguenza è l’accumulo di gravi danni al DNA, in particolare di rotture a doppio filamento. Queste sono considerate una delle forme più pericolose di danno al DNA e possono favorire l’insorgenza e lo sviluppo di tumori. Allo stesso tempo, però, rendono le cellule tumorali più sensibili a determinate chemioterapie e a farmaci mirati che causano ulteriori danni al DNA. «Indipendentemente dalla via di segnalazione coinvolta, la sovraespressione di EXO1 porta alla formazione e all’accumulo di danni tossici al DNA, come le rotture a doppio filamento, il che, a nostro avviso, porta in ultima analisi a una maggiore sensibilità del tumore alla chemioterapia e a un aumento della morte cellulare», ha spiegato Alexandra Nusawardhana, autrice principale dello studio, che quest’anno ha conseguito il dottorato in scienze biomediche presso la Penn State College of Medicine.
Perché EXO1 imita le mutazioni BRCA
I geni BRCA producono proteine che svolgono un ruolo centrale nel mantenimento della stabilità genomica. In particolare, proteggono le strutture sensibili del DNA durante la replicazione e favoriscono la riparazione delle rotture a doppio filamento attraverso la ricombinazione omologa, un meccanismo di riparazione particolarmente preciso. Se i geni BRCA sono mutati, le cellule perdono parte di questa funzione protettiva. Di conseguenza, le forcelle di replicazione diventano più vulnerabili alla degradazione da parte delle nucleasi, il che può contribuire a danni al DNA, instabilità genomica e, in ultima analisi, allo sviluppo del cancro.
Nello studio attuale, tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che un’eccessiva attività di EXO1 può avere conseguenze simili – anche quando i geni BRCA funzionano normalmente e non presentano mutazioni. Attraverso la sua attività di taglio del DNA, l’EXO1 in eccesso attacca strutture importanti che dovrebbero essere protette durante la duplicazione del DNA. Ciò porta a un aumento delle lacune nel DNA, delle rotture cromosomiche e di altre forme di danni genetici, tipicamente osservati anche nelle cellule con deficit di BRCA.
Il team ha inoltre dimostrato che l’EXO1 agisce in sinergia con la proteina di riparazione del DNA MRE11. Entrambi gli enzimi favoriscono la degradazione delle strutture di replicazione e ampliano le lacune nel DNA a singolo filamento, favorendo così la formazione di pericolose rotture a doppio filamento. Secondo i ricercatori, la sovraespressione di EXO1 produce quindi, dal punto di vista funzionale, lo stesso stato della perdita della via di segnalazione BRCA nei tumori con mutazioni del gene BRCA. Sebbene le cause alla base siano diverse, le conseguenze biologiche sono molto simili.
Questo fenomeno viene spesso definito «BRCAness». Con questo termine si indicano tumori privi di mutazione BRCA che presentano tuttavia le stesse vulnerabilità molecolari delle cellule tumorali con mutazione BRCA. Poiché la loro capacità di far fronte ai danni al DNA è limitata, tali tumori spesso reagiscono in modo particolarmente sensibile a determinate terapie, tra cui gli inibitori PARP come l’olaparib e i farmaci chemioterapici a base di platino.
Rimane tuttavia una differenza importante: le mutazioni BRCA possono essere ereditate e aumentano il rischio individuale di cancro già prima della comparsa del tumore. La sovraespressione di EXO1, al contrario, è un’alterazione che insorge all’interno delle cellule tumorali e non viene trasmessa alla prole. Inoltre, non è ancora chiaro se livelli elevati di EXO1 contribuiscano direttamente allo sviluppo del cancro o se influenzino soprattutto il comportamento di tumori già esistenti.
Possibili implicazioni per il trattamento del cancro
Poiché i tumori che sovraesprimono EXO1 presentavano molte caratteristiche simili a quelle dei tumori con mutazioni BRCA, i ricercatori hanno esaminato se reagissero in modo analogo a determinate terapie antitumorali. L’attenzione si è concentrata su olaparib, un inibitore della PARP già impiegato con successo nel trattamento dei tumori al seno, alle ovaie, alla prostata e al pancreas con mutazioni del gene BRCA. Gli inibitori PARP bloccano importanti meccanismi di riparazione del DNA nelle cellule tumorali. Poiché le cellule con deficit di BRCA possiedono già capacità di riparazione limitate, non sono più in grado di compensare i danni aggiuntivi al DNA e muoiono.
Lo studio ha dimostrato che anche i tumori con un’elevata espressione di EXO1 hanno reagito in modo particolarmente sensibile all’olaparib. A quanto pare, la sovraespressione di EXO1 genera una condizione simile a quella del BRCA («BRCAness»), che rende le cellule tumorali sensibili alle stesse strategie terapeutiche. I risultati suggeriscono che in futuro anche i pazienti senza mutazioni BRCA rilevabili potrebbero trarre beneficio dagli inibitori PARP, a condizione che i loro tumori presentino livelli elevati di EXO1.
Inoltre, i ricercatori hanno esaminato l’effetto del cisplatino, un farmaco chemioterapico di uso comune che provoca danni al DNA e impedisce così la divisione delle cellule tumorali. Anche in questo caso, i tumori che sovraesprimono EXO1 hanno mostrato una maggiore sensibilità. Poiché questi tumori sono già sottoposti a un notevole stress replicativo e presentano un numero maggiore di danni al DNA, la loro capacità di riparare ulteriori danni sembra essere limitata. Ciò potrebbe spiegare perché rispondono particolarmente bene al cisplatino.
Un altro aspetto importante dello studio è il possibile ruolo di EXO1 come biomarcatore. Mentre le mutazioni BRCA si riscontrano solo in una percentuale relativamente piccola di pazienti, la sovraespressione di EXO1 è stata rilevata in diversi tipi di tumore, tra cui quelli al seno, alle ovaie, alla pelle, alla cervice uterina e al fegato e alle vie biliari. La determinazione dei livelli di EXO1 potrebbe quindi aiutare a identificare i pazienti che probabilmente rispondono particolarmente bene agli inibitori delle PARP o alle chemioterapie a base di platino.
A lungo termine, ciò potrebbe contribuire a un trattamento oncologico più personalizzato. Anziché selezionare le terapie principalmente in base all’organo di origine del tumore, si darebbe maggiore importanza alle caratteristiche molecolari e alle alterazioni genetiche del tumore stesso. Secondo i ricercatori, l’EXO1 potrebbe quindi rappresentare in futuro un importante marcatore per prendere decisioni terapeutiche più mirate e migliorare l’efficacia delle terapie esistenti. Per confermare questo potenziale, tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche e studi clinici sui pazienti.