Tre articoli di ricerca di un team di studiosi della Stanford Medicine e dei loro collaboratori internazionali hanno trasformato la comprensione degli scienziati su come i piccoli cerchi di DNAp, fino a poco tempo fa considerati irrilevanti, siano i principali fattori scatenanti di molti tipi di cancro umani.
Una nuova speranza per una terapia efficace contro il cancro
Gli articoli hanno descritto in dettaglio la prevalenza e l’impatto prognostico dei cerchi, chiamati ecDNA (DNA extracromosomico), in circa 15.000 tumori umani e hanno evidenziato una nuova modalità di ereditarietà che sovverte una legge fondamentale della genetica. I ricercatori hanno parlato di una terapia antitumorale che ha come bersaglio i cerchi e che è già in fase di sperimentazione clinica.
Il team, noto congiuntamente come eDyNAmiC, è un gruppo di esperti internazionali guidato dal professore di patologia Paul Mischel, MD. Nel 2022, Mischel e il team eDyNAmiC hanno ricevuto una sovvenzione di 25 milioni di dollari dall’iniziativa Cancer Grand Challenges per saperne di più sui cerchi. Cancer Grand Challenges, un’iniziativa di ricerca co-fondata da Cancer Research UK e dal National Cancer Institute negli Stati Uniti, supporta una comunità globale di team di ricerca interdisciplinari di livello mondiale per affrontare le sfide più difficili del cancro.
“Siamo nel mezzo di una comprensione completamente nuova di un meccanismo comune e aggressivo che guida il cancro“, ha affermato Mischel, che detiene la cattedra Fortinet Founders: “Ogni articolo è degno di nota e, presi insieme, rappresentano un importante punto di svolta nel modo in cui vediamo l’inizio e l’evoluzione del cancro“. Mischel è anche uno studioso dell’istituto presso il Sarafan ChEM-H di Stanford Medicine.
Mischel è coautore senior di ciascuno dei tre articoli; Howard Chang, Professore di dermatologia e genetica, professore di ricerca sul cancro presso la Virginia e il DK Ludwig e ricercatore presso l’Howard Hughes Medical Institute, è coautore senior di due dei tre articoli e coautore del terzo articolo.
Gli studi
Questi cerchi in evidenza, ecDNA, sono piccoli e spesso contengono alcuni geni sul loro DNA circolare. Spesso, questi sono geni associati al cancro chiamati oncogeni. Quando una cellula cancerosa contiene più ecDNA che codificano per oncogeni, possono sovralimentare la crescita della cellula e consentirle di eludere i checkpoint interni destinati a regolare la divisione cellulare. Gli ecDNA a volte codificano anche geni per proteine che possono ridurre la risposta del sistema immunitario a un tumore in via di sviluppo, favorendone ulteriormente la crescita.
Fino a poco tempo fa, si credeva che solo circa il 2% dei tumori contenesse quantità significative di ecDNA. Nel 2017, però. la ricerca nel laboratorio di Mischel ha dimostrato che i piccoli cerchi erano diffusi e probabilmente svolgevano un ruolo critico nei tumori umani. Nel 2023, Mischel e Chang hanno ulteriormente dimostrato che la loro presenza innesca una trasformazione cancerosa nelle cellule precancerose.
Nel primo dei tre articoli, di cui Chang è coautore e Mischel è coautore senior, i ricercatori nel Regno Unito hanno ripreso le scoperte di Mischel del 2017 analizzando la prevalenza di ecDNA in circa 15.000 pazienti oncologici e 39 tipi di tumore. Hanno scoperto che il 17,1% dei tumori conteneva ecDNA, che l’ecDNA era più prevalente dopo terapia mirata o trattamenti citotossici come la chemioterapia e che la presenza di ecDNA era associata a metastasi e a una sopravvivenza complessiva più scarsa.
I ricercatori hanno anche dimostrato che i cerchi possono contenere non solo oncogeni che causano il cancro e geni che modulano la risposta immunitaria, ma anche che altri possono contenere solo sequenze di DNA chiamate potenziatori che guidano l’espressione dei geni in altri cerchi collegando insieme due o più ecDNA.
Si trattava di un’idea un po’ eretica”, ha detto Chang: “Gli ecDNA con elementi enhancer non conferiscono alcun beneficio alla cellula da soli, devono lavorare con altri ecDNA per stimolare la crescita delle cellule cancerose. Se osservati attraverso una lente convenzionale, la presenza di ecDNA che codificano solo enhancer non sembrerebbe essere un problema, ma il lavoro di squadra e la connessione fisica tra diversi tipi di cerchi sono in realtà molto importanti nello sviluppo del cancro”.
Chang, Mischel e i loro colleghi hanno dimostrato che questo concetto è ancora vero, fino a un certo punto, ma hanno scoperto che, a differenza dei cromosomi, la trascrizione dell’ecDNA, il processo di copia delle sequenze di DNA in istruzioni di RNA che vengono poi utilizzate per creare proteine, continua ininterrottamente durante la divisione cellulare. Di conseguenza, gli ecDNA che lavorano in tandem rimangono interconnessi durante la divisione cellulare e si separano insieme come unità multi-cerchio nelle cellule figlie.
“Questo capovolge la regola di Gregor Mendel sull’assortimento indipendente di geni che non sono fisicamente collegati da sequenze di DNA”, ha detto Mischel, riferendosi al biologo e frate agostiniano che per primo descrisse come i tratti vengono ereditati durante i suoi studi sulle piante di pisello negli anni ’60 dell’Ottocento: “È davvero sorprendente”.
“Le cellule figlie che ereditano ripetutamente combinazioni particolarmente vantaggiose di cerchi ecDNA dovrebbero essere rare se la segregazione di ogni tipo di cerchio fosse veramente casuale“, ha affermato Chang: “Ma questo studio ha dimostrato che stavamo osservando molti più di questi ‘eventi jackpot’ di quanto ci si aspetterebbe. È come ricevere una buona mano a poker. Le cellule del cancro che ricevono quella buona mano più e più volte hanno un enorme vantaggio. Ora capiamo come questo avviene”.
Questi eventi jackpot evidenziano tuttavia una debolezza nelle cellule cancerose. Chang e Mischel e il team eDyNAmiC hanno capito che esiste una tensione intrinseca tra trascrizione e replicazione, ciascuna delle quali è eseguita da macchinari proteici che si muovono lungo il filamento di DNA. Quando i macchinari di trascrizione e replicazione entrano in collisione, il processo si blocca e la cellula attiva checkpoint interni per mettere in pausa la divisione cellulare finché il conflitto non viene risolto.
Il terzo articolo, di cui Chang e Mischel sono co-autori principali, riporta che il blocco dell’attività di un’importante proteina di checkpoint chiamata CHK1 provoca la morte delle cellule del cancro contenenti ecDNA coltivate in laboratorio e provoca la regressione del tumore nei topi con un tumore gastrico alimentato dai cerchi di DNA.
“Questo capovolge la situazione per queste cellule cancerose“, ha detto Chang: “Sono dipendenti da questa trascrizione in eccesso e non riescono a fermarsi. Abbiamo trasformato questa in una vulnerabilità che ne determina la morte”.
Conclusioni
I risultati sono stati così promettenti che un inibitore del CHK1 è ora in fase iniziale di sperimentazione clinica per i pazienti affetti da determinati tipi di cancro che presentano copie multiple di oncogeni sugli ecDNA.
“Questi documenti rappresentano quello che può accadere quando ricercatori di molti laboratori diversi si uniscono con un obiettivo comune“, ha concluso Mischel: “La scienza è un’impresa sociale e insieme, attraverso molte vie di convergenza di dati da fonti estremamente diverse, abbiamo dimostrato che queste scoperte sono reali e importanti. Continueremo a esplorare la biologia degli ecDNA e a usare quella conoscenza a beneficio dei pazienti e delle loro famiglie”.
