La senescenza replicativa è il fenomeno per cui le cellule smettono permanentemente di dividersi dopo un numero finito di cicli. Questo arresto cellulare, cruciale per la soppressione del cancro, è intrinsecamente legato alla lunghezza dei telomeri, i cappucci protettivi situati alle estremità dei cromosomi.
Senescenza replicativa: il ruolo dei telomeri e il limite di divisione
Ad ogni ciclo di replicazione, i telomeri si accorciano progressivamente. Quando questi cappucci diventano troppo corti, le estremità dei cromosomi non sono più adeguatamente protette. La cellula le riconosce quindi come rotture del DNA. Questo segnale di danno innesca la risposta che porta all’arresto permanente della divisione, noto come senescenza replicativa.
Questo limite di divisione cellulare, telomero-dipendente, agisce come un potente meccanismo di soppressione tumorale, impedendo che i cloni tumorali in fase iniziale possano progredire e svilupparsi in tumori conclamati. L’arresto della crescita si attiva proprio quando i telomeri compromessi non riescono più a reclutare una quantità sufficiente della proteina TRF2 (una proteina shelterin). Senza una quantità adeguata di TRF2, i telomeri assomigliano a una rottura del DNA, bloccando la divisione cellulare.
Un nuovo studio ha chiarito che la senescenza replicativa dipende interamente dalla chinasi ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated). L’ATM è una proteina di segnalazione fondamentale che risponde alle rotture del DNA ed è cruciale per il mantenimento della stabilità genomica della cellula. L’attivazione dell’ATM innesca la cascata di eventi che porta all’arresto della divisione cellulare.
Le nuove scoperte affrontano anche la discrepanza osservata in laboratorio riguardo alla tempistica della senescenza. Le cellule smettono infatti di dividersi prima quando sono coltivate in condizioni di elevata concentrazione di ossigeno (tipiche del laboratorio), rispetto a quando sono mantenute nelle condizioni di bassa concentrazione di ossigeno che simulano l’ambiente corporeo umano.
I ricercatori hanno scoperto che in presenza di alti livelli di ossigeno, la chinasi ATM diventa iperattiva. Questo stato di iperattività porta l’ATM a rispondere in modo più vigoroso alle rotture del DNA, riducendo di conseguenza la tolleranza della cellula ai telomeri corti. In sintesi, l’ATM iperattiva rende le cellule più sensibili al danno, affrettando l’insorgenza della senescenza replicativa in condizioni di elevato ossigeno.
Queste intuizioni sul meccanismo molecolare della senescenza replicativa sono fondamentali per comprendere il percorso di soppressione tumorale e prevenire il cancro.
Un potente scudo contro il cancro
La senescenza replicativa è riconosciuta come un meccanismo di soppressione tumorale eccezionalmente efficace. L’importanza di questo sistema è evidente nei pazienti che nascono con telomeri insolitamente lunghi, condizione in cui il meccanismo protettivo non funziona correttamente. Tali individui possono sviluppare una predisposizione a contrarre fino a cinque diversi tipi di cancro prima dei 70 anni, confermando che nelle persone con telomeri di lunghezza normale, il meccanismo di soppressione telomerico previene la formazione di numerosi tumori.
Nonostante la sua cruciale importanza nella prevenzione del cancro, diverse questioni sulla senescenza replicativa sono rimaste senza risposta per decenni. In particolare, non era chiaro quale specifica via di segnalazione del danno al DNA mediava effettivamente l’arresto della divisione cellulare, con studi che suggerivano il possibile coinvolgimento sia di ATM che di ATR. Un altro grande enigma riguardava il ruolo dei livelli di ossigeno nel modulare questo invecchiamento cellulare.
Per anni, i ricercatori hanno osservato che le cellule coltivate nelle condizioni standard di laboratorio (circa 20% di ossigeno) raggiungevano la senescenza molto prima rispetto a quelle coltivate nei livelli di ossigeno molto più bassi presenti in vivo (tra l’1% e l’8%). La principale ipotesi, secondo cui l’alto livello di ossigeno accelerasse l’erosione dei telomeri, era stata esclusa, lasciando una lacuna nella comprensione di come l’ossigeno influenzi l’invecchiamento cellulare.
Per svelare il motivo per cui l’alto livello di ossigeno accelera l’invecchiamento, il team di ricerca guidato da de Lange ha monitorato la senescenza in fibroblasti umani primari coltivati a un livello di ossigeno del 3% (basso) o del 20% (alto). Lavorare in condizioni di basso tenore di ossigeno si è rivelato estremamente impegnativo, richiedendo che tutte le attività di laboratorio, come spostare le piastre o aggiungere reagenti, fossero eseguite rapidamente e con cautela per evitare che le cellule e i reagenti venissero esposti all’ossigeno atmosferico (20%), che altera l’ambiente molecolare in pochi minuti.
Il dottor Alexander Stuart ha inizialmente scoperto che la chinasi ATM era l’unica responsabile dell’induzione della senescenza sia al 3% che al 20% di ossigeno. L’inibizione dell’ATM (o la sovraespressione della proteina protettiva TRF2) ha permesso alle cellule di continuare a dividersi oltre il loro limite abituale. Inoltre, il blocco della segnalazione di ATM nelle cellule senescenti le ha riportate in vita, dimostrando che l’arresto della divisione è reversibile e interamente ATM-dipendente.
Successivamente, Stuart e de Lange hanno scoperto che l’alto livello di ossigeno accelera l’invecchiamento cellulare non accelerando l’accorciamento dei telomeri, ma creando una forma iperattiva di ATM. Studi successivi hanno rivelato che la differenza di durata della vita cellulare tra condizioni di basso e alto ossigeno riflette la capacità delle cellule di tollerare telomeri estremamente corti. Nelle condizioni di basso ossigeno (3%), le cellule continuano a dividersi anche con molti telomeri estremamente corti.
Al contrario, nelle condizioni di alto ossigeno (20%), l’ATM diventa così reattiva da trattare quei telomeri corti come un danno urgente al DNA e costringe immediatamente le cellule alla senescenza. Le cellule con telomeri corti smettono di dividersi solo quando vengono spostate in condizioni di ossigeno più elevato, dimostrando che l’ATM iperattiva riduce drasticamente la tolleranza cellulare al danno telomerico.
L’iperattività di ATM e l’inganno dell’ossigeno in laboratorio
La prospettiva sulla durata della vita cellulare è stata ribaltata: non è la carenza di ossigeno a prolungare la vita delle cellule umane, poiché il basso livello di ossigeno è lo stato fisiologico del corpo. La vera domanda, come evidenziato da Stuart, è perché le condizioni di elevata ossigenazione accorciano la durata della vita cellulare e perché non sono un sistema accurato per studiare la senescenza.
La ricerca ha ora dimostrato che un’elevata ossigenazione rappresenta un ambiente in cui la chinasi ATM è iperattiva, portando a un numero di divisioni cellulari inferiore rispetto a quello che le cellule subirebbero in condizioni naturali.
Stuart e de Lange hanno ricondotto l’effetto regolatore dell’ossigeno sull’ATM alle specie reattive dell’ossigeno (ROS). Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, le ROS sono più evidenti in condizioni di basso livello di ossigeno. Le ROS inducono le molecole di ATM a legarsi tra loro attraverso ponti chimici chiamati legami disolfuro. Questi legami formano dei dimeri che sono incapaci di rispondere efficacemente alle rotture del DNA o ai telomeri usurati.
Con la collaborazione del Laboratorio di Immunologia Chimica e Proteomica, i ricercatori hanno identificato il punto esatto in cui si formano questi legami disolfuro nell’ATM e hanno confermato che uno di essi è essenziale per la regolazione dell’ATM da parte dell’ossigeno.
I risultati ottenuti confermano che il percorso di senescenza replicativa è interamente controllato dalla proteina ATM e che l’ATM si comporta in modo marcatamente diverso in condizioni di elevata concentrazione di ossigeno. Queste scoperte hanno implicazioni immediate per gli scienziati che studiano la risposta al danno del DNA in laboratorio.
Studiare questo fenomeno in cellule umane coltivate al 20% di ossigeno significa fondamentalmente studiare la chinasi ATM in condizioni di iperattività. Sebbene il passaggio al lavoro a basso contenuto di ossigeno (3%) sia molto difficile a livello pratico, si suggerisce ai ricercatori di verificare se i risultati ottenuti in condizioni di alta ossigenazione siano validi anche in un ambiente fisiologico.
Le scoperte hanno anche importanti implicazioni per le patologie umane, in particolare per i tumori. La maggior parte dei tumori presenta bassi livelli di ossigeno, condizione che sopprime l’attività dell’ATM. Questa soppressione permette alle cellule tumorali di tollerare telomeri eccezionalmente corti, che altrimenti innescherebbero la senescenza.
Il meccanismo dell’accorciamento dei telomeri rappresenta un programma di prevenzione del cancro di vitale importanza. Le terapie oncologiche che mirano a ripristinare la funzionalità dell’ATM in questi contesti ipossici potrebbero potenzialmente indurre le cellule maligne vulnerabili all’arresto della crescita, sfruttando questo naturale percorso di soppressione tumorale.
Lo studio è stato pubblicato su Molecular Cell.
