Uno studio condotto dagli scienziati della NYU Langone Health fa luce sul modo in cui il gene principale del cancro, BRCA2, determina quali cellule tumorali possono essere uccise da una classe di farmaci antitumorali di precisione chiamati inibitori della PARP.
“BRCA è l’acronimo di Breast Cancer e indica due geni (BRCA1 e BRCA2) che aumentano il rischio di sviluppare alcuni tipi di tumore”.
Pubblicato di recente su Nature, il lavoro si basa sul fatto che quando le cellule umane si dividono e crescono, il danno al DNA si verifica continuamente e deve essere riparato rapidamente per prevenire il cancro. BRCA2 è un attore chiave in questo meccanismo, la riparazione guidata dall’omologia, ma i cambiamenti genetici, chiamati mutazioni, si verificano e si accumulano nelle cellule, con alcuni che sabotano il ruolo di riparazione del DNA del gene per creare il rischio di cancro.
Anche le cellule tumorali necessitano di riparazione del DNA poiché la loro crescita sconsiderata causa un rapido e letale accumulo di errori se non contrastata. Quando le mutazioni ostacolano la funzione di BRCA2 è noto che le cellule tumorali si affidano al percorso della poli ADP-ribosio polimerasi 1 (PARP1) per la riparazione di backup del DNA e per continuare la crescita anomala. Gli inibitori di PARP sono stati progettati per fermare questo percorso.
Il nuovo studio rivela un ruolo inaspettato per BRCA2 nel controllo dell’azione di PARP1 nei siti di danno al DNA e spiega perché gli inibitori di PARP sono efficaci solo in alcuni pazienti. L’efficacia degli inibitori di PARP in qualsiasi cellula cancerosa, hanno scoperto gli autori dello studio, dipende da quanto bene funziona BRCA2 in quella sede.
Sebbene la percentuale di cellule cancerose con BRCA2 funzionante sia difficile da stimare con precisione, è importante. Come misura proxy, studi passati hanno dimostrato che il 15-20 percento dei casi di cancro alle ovaie, il 6-8 percento di quelli al seno, l’8-10 percento di quelli alla prostata e l’8-10 percento di quelli al pancreas presentano mutazioni BCRA2 ereditarie o quelle che si presentano per la prima volta quando le cellule si moltiplicano nei tumori.
“Questo lavoro fa parte di uno sforzo più ampio tra NYU Langone e Perlmutter Cancer Center per collegare la scoperta molecolare con i progressi clinici. Attraverso collaborazioni con team clinici, siamo pronti a tradurre le intuizioni sui percorsi correlati a BRCA in diagnosi praticabili e nuove strategie di trattamento“, dice Eli Rothenberg, PhD, autore senior dello studio, Professore presso il Dipartimento di Biochimica e Farmacologia Molecolare della NYU Grossman School of Medicine e Direttore di Single Molecule Biophotonics
Scudo molecolare
Mentre molti pazienti oncologici ottengono una remissione temporanea con gli inibitori di PARP, i risultati variano notevolmente. Per capire perché e chiarire l’ interazione BRCA2 -PARP1, il team di ricerca si è rivolto a tecniche di imaging proprietarie sviluppate presso la NYU Langone.
“Questa scoperta non sarebbe stata possibile senza gli strumenti di imaging specializzati sviluppati qui dal programma Single Molecule Biophotonics”, ha affermato il Dott. Rothenberg. “Ci hanno offerto una finestra molecolare su come BRCA2 protegge i complessi di riparazione del DNA dalla rottura nelle cellule umane viventi in tempo reale, avvicinandoci allo sviluppo di terapie contro il cancro realmente personalizzate“.
L’imaging a singola molecola ha rivelato che BRCA2 funziona come uno scudo molecolare, impedendo fisicamente a PARP1 di rimanere bloccato nei siti di riparazione del DNA, il meccanismo tramite cui gli inibitori di PARP hanno il loro effetto. In particolare, i ricercatori hanno scoperto che BRCA2 intatto assicura che RAD51, una proteina essenziale per una riparazione accurata del DNA, possa accedere ai siti di riparazione invece di PARP1 e svolgere la sua funzione. Ciò impedisce l’accumulo generato dal trattamento di rotture del DNA dannose, nelle cellule tumorali che resistono all’inibizione di PARP.
Al contrario, nelle cellule con BRCA2 difettoso, PARP1 è libero di legarsi e persistere nei siti di danno al DNA. Ciò blocca l’accesso a RAD51 e interrompe la riparazione corretta, causando danni fatali alle cellule tumorali, un meccanismo che spiega la maggiore vulnerabilità delle cellule tumorali con deficit di BRCA2 agli inibitori di PARP.
“Andando avanti, il nostro team si concentra su come questo meccanismo può essere utilizzato clinicamente“, ha affermato l’autore del primo studio Sudipta Lahiri, PhD, un borsista post-dottorato presso la NYU Langone che ha guidato il lavoro sperimentale. “La scoperta che l’attività variabile di BRCA2 determina l’efficacia dell’inibitore di PARP indica la necessità di una profilazione tumorale specifica per paziente e può informare il modo in cui i medici selezionano le terapie. Stiamo anche esaminando la struttura dei domini di BRCA2 coinvolti nella sua capacità di proteggere i complessi di riparazione da PARP1 con l’obiettivo di progettare terapie che superino la resistenza”.
Spiegano gli autori:
“La proteina oncosoppressore BRCA2 ha un ruolo centrale nella riparazione del DNA guidata dall’omologia, potenziando la formazione di filamenti RAD51 sul DNA a singolo filamento resecato generato dalle rotture del DNA a doppio filamento e stimolando l’attività RAD51. Gli individui con mutazioni BRCA2 sono predisposti al cancro; tuttavia, i tumori con deficit di BRCA2 rispondono spesso alla terapia mirata con inibitori di PARP (PARPi). Il meccanismo mediante il quale il deficit di BRCA2 rende le cellule sensibili a PARPi, ma con una tossicità minima nelle cellule eterozigoti per le mutazioni BRCA2, rimane poco chiaro. Qui identifichiamo un ruolo precedentemente sconosciuto di BRCA2 che è direttamente collegato all’effetto dell’inibizione di PARP1. Utilizzando approcci biochimici e a singola molecola, dimostriamo che la ritenzione di PARP1 mediata da PARPi su un substrato di DNA resecato interferisce con la stabilità del filamento RAD51 e compromette lo scambio di filamenti di DNA mediato da RAD51. BRCA2 a lunghezza intera protegge i filamenti RAD51 e contrasta l’instabilità conferita dalla ritenzione mediata da PARPi impedendo il legame di PARP1 al DNA. Estendendo queste scoperte a un contesto cellulare, utilizziamo la microscopia di localizzazione quantitativa a singola molecola per dimostrare che BRCA2 impedisce la ritenzione di PARP1 indotta da PARPi nei siti di riparazione della ricombinazione omologa. Al contrario, le cellule BRCA2-deficienti mostrano una maggiore ritenzione di PARP1 in queste lesioni in risposta a PARPi. Questi risultati forniscono approfondimenti meccanicistici sul ruolo di BRCA2 nel mantenimento della stabilità di RAD51 e nella protezione dei siti di riparazione della ricombinazione omologa mitigando la ritenzione di PARP1 mediata da PARPi“.
Insieme al Dott. Rothenberg e al Dott. Lahiri, gli autori dello studio del Department of Biochemistry and Molecular Pharmacology includevano Tony T. Huang, PhD, Professore di biochimica e farmacologia molecolare; George Hamilton, PhD e la studentessa MD/PhD Liana Goehring. Del Department of Therapeutic Radiology presso la Yale School of Medicine, i coautori includevano Gemma Moore e il coautore senior Ryan Jensen, PhD.
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Lo studio è stato supportato dalle sovvenzioni del National Institutes of Health e dalle sovvenzioni del National Cancer Institute. Ulteriore supporto è stato fornito dalla V Foundation, dalla Gray Foundation, dalla Laura Chang and Arnold Chavkin Charitable Donation, dalla Goldberg Family Foundation e da una sovvenzione di supporto del Perlmutter Cancer Center.